Молекулярная биология

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный педагогический университет»

Кафедра биологии растений и животных

Контрольная работа

«Молекулярная биология»

Выполнила:

Зверева Ю.А.

Проверила:

Ершова А.Н.

Воронеж 2017

Генетический код, его свойства (триплетность, вырожденность, универсальность, неперекрываемость, отсутствия знаков препинания) их относительность

Генетический код, система "записи" наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Реализация генетического кода в клетке происходит в два этапа: 1) синтез молекулы матричной, или информационной, РНК на соответствующем участке ДНК; при этом последовательность нуклеотидов ДНК "переписывается" в нуклеотидную последовательность мРНК 2)синтез белка, при котором последовательность нуклеотидов мРНК переводится в соответствующую последовательность аминокислот.

Впервые идея о существовании генетического кода сформулирована А. Дауном и Г. Гамовым в 1952-1954, которые показали, что последовательность нуклеотидов, однозначно определяющая синтез той или иной аминокислоты, должна содержать не менее трех звеньев. Позднее было доказано, что такая последовательность состоит из трех нуклеотидов, названных кодоном, или триплетом. Т.к. молекулы нуклеиновых кислот, на которых происходит синтез мРНК или белка, состоят из остатков только четырех разных нуклеотидов, кодонов, отличающихся между собой, м. б. всего 64.

Все синтезируемые в процессе трансляции белки построены из остатков 20 аминокислот. Какой именно кодон ответствен за включение той или иной аминокислоты, можно определить по таблице, в которой буквы А, Г, У, Ц обозначают основания, входящие в нуклеотиды: в вертикальном ряду слева в первый нуклеотид кодона, в горизонтальном ряду сверху во второй, в вертикальном ряду справа в третий. Трехбуквенные сочетания, напр. фен, сер, лей,-сокращенные назв. аминокислот. Прочерки в таблице означают, что три кодона-УАА, УАГ и УГА в нормальных условиях не кодируют к.-л. аминокислоты. Такие кодоны наз. "бессмысленными", или нонсенс-кодонами. Они являются "сигналами" остановки синтеза полипептидной цепи.

Свойства:

1)Триплетность -- один триплет кодирует одну аминокислоту, но разные. гипотеза рибосома белок эукариот

2)Вырожденность -- одну и ту же аминокислоту, может кодировать несколько триплетов, например: для аланина - ГЦА,ГЦГ, ГЦЦ,ГУУ.

3)Универсальность -- генетический код одинаков для всех организмов (вирусы, грибы, животные и т.д.). Свидетельствует о его древности и консервативности, но обнаружили исключение в митохондриях аминокислоту митионин кодирует другой триплет - АУГ (старт сигнал), АУА (другой триплет).

4)Неперекрываемость -- важнейшее свойство генетического кода. Все триплеты считывают информацию последовательно и только один раз. Исключение у вирусов Фх 174.

Адапторная теория Ф. Крика

Информация для аминокислотной последовательности белков закодирована в виде нуклеотидной последовательности соответствующих матричных РНК. Триплетный кодон матрицы должен однозначно детерминировать определенную аминокислоту. Между тем, явного стерического соответствия структур аминокислот и соответствующих им кодонов не наблюдается, т. е. кодоны вроде бы никак не могут служить прямыми матричными поверхностями для аминокислот.

Отсюда в 1955 г. Ф. Крик предложил свою адапторную гипотезу, где он постулировал существование специальных малых адапторных РНК и специальных ферментов, ковалентно присоединяющих аминокислотные остатки к этим РНК. Согласно гипотезе, каждой аминокислоте соответствует свой вид адапторной РНК и свой фермент, присоединяющий только данную аминокислоту к данному адаптеру. С другой стороны, адапторная РНК имеет нуклеотидный триплет (впоследствии названный антикодоном), комплементарный соответствующему кодону матричной РНК.

Таким образом, узнавание кодона аминокислотой не является непосредственным, а осуществляется через систему адапторная РНК -- фермент специфический фермент узнает одновременно аминокислоту и определенную адапторную молекулу, так что они оказываются соединенными в свою очередь, адаптер (с навешенной аминокислотой) узнает определенный кодон матричной РНК, так что присоединенная аминокислота становится приписанной именно данному кодону. В дополнение к решению проблемы узнавания, предложенный механизм предполагал также энергетическое обеспечение полимеризации аминокислот за счет химических связей, образованных между аминокислотными остатками и адапторными молекулами.

Адапторную функцию тРНК обеспечивают акцепторная ветвь, к З -концу которой присоединяется эфирной связью аминокислотный остаток, и противостоящая акцепторной ветви антикодоновая ветвь, на вершине которой находится петля, содержащая антикодон. Антикодон представляет собой специфический триплет нуклеотидов, который комплементарен в антипараллельном направлении кодону мРНК, кодирующему соответствующую аминокислоту.

На третьем этапе биосинтеза комплексные соединения р-РНК с аминокислотами переносятся на поверхность ы-РНК в рибосоме. Этот процесс совершается под действием особых ферментов переноса, содержащихся в растворимой фракции клеток и специфических для индивидуальных аминокислот. Детали этого этапа биосинтеза белков во многом еще остаются неясными, но полагают, что эти реакции идут следующим образом. и-РНК, содержащаяся в рибосоме, играет роль шаблона, матрицы, на поверхности которой синтезируется полипептидная цепь.

Каждая молекула р-РНК, переносящая ту или иную аминокислоту, имеет в своей цепи особый адапторный участок, последовательность нуклеотидов в котором комплементарна к определенному участку ы-РНК- В связи с этим отдельные молекулы р-РНК вместе с аминокислотами присоединяются к строго определенным участкам и-РНК, в результате чего аминокислоты оказываются выстроенными в ряд на матрице. После этого, при участии соответствующих ферментов, связь между молекулами р-РНК и аминокислотами разрывается, аминокислоты под действием специфических синтезирующих ферментов соединяются между собойпептидными связями. Процесс образования пептидных связей требует затраты энергии, которая доставляется, вероятно, гуанозинтрифосфатом. Высвободившиеся молекулы р-РНК вновь соединяются с активированными аминокислотами. Таким образом, в результате третьего этапа биосинтеза белка в активной рибосоме образуется полипептидная цепь.

Позже, когда Гамов осознал важность РНК, ему пришла идея создать клуб РНК, члены которого носили бы галстуки, украшенные символами нуклеотидов и аминокислот. Из шутки родился клуб, а в клубе родилась статья Крика с его адапторной гипотезой, которая предсказывала существование транспортной РНК. Эта статья так и не была опубликована в нормальной научной печати, а ходила в рукописи по рукам. Мне его гипотеза совсем не нравилась, я не видел никаких экспериментальных оснований для существования такой РНК.

Иногда применяют термины растворимая РНК и адапторная РНК.

Наиб, крупные достижения М. б. расшифровка структуры белков и нуклеиновых к-т (М. Перутц, Дж. Кевдрю, Дж. Уотсон, Ф. Крик, У. Гилберт) создание адапторной теории белкового синтеза (Ф. Крик) и теории регуляции синтеза белков в бактериях (Ф. Жакоб, Ж. Моно) открытие транспортной и матричной РНК, расшифровка генетич. кода (М. Ниренберг, G. Очоа) открытие обратной транскрипции (X. Темин, Д. Балтимор), прерывистой структуры генов и механизма созревания матричных РНК у эукариот развитие методов генной инженерии.

Адапторная гипотеза и ее доказательство

Биосинтез белков. Биологический код. Основные компонентыбелоксинтезирующей системы. Функционирование рибосом и последовательность реакций при синтезе полипептидной цепи. Адапторная функция тРНК, роль иРНК.

Вторая ступень отбора наиболее важная. Она заключается во взаимодействии определенной, адапторной группы р-РНК с соответствующим, комплементарным ей участком -РНК, которая играет роль матрицы. На этой ступени р-РНК, соединенная с аминокислотой, присоединяется к определенному участку и-РНК, благодаря чему может образоваться характерная для данного белка последовательность аминокислот. Мы видели, что и-РНК синтезируется на ДНК, и ее нуклеотидный состав комплементарен ДНК. Таким образом, наследственная информация, записанная в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов, передается на и-РНК, которая, в свою очередь, определяет и контролирует характерную для данного белка последовательность аминокислот.

ДНК служит универс. хранителем и источником генетической информации, записанной в ввде специфич. последовательности оснований и определяющей св-ва живого организма она способна к конвариантной редупликации (точному само-копированию), у нек-рых вирусов в этой роли выступает РНК. На ДНК, как на матрице, синтезируются матричные, или информационные, РНК (мРНК), служащие матрицами при синтезе белка рибосомные РНК (рРНК), образующие структурную (и, частично, функциональную) основу белок-синтезирующего аппарата клетки транспортные РНК (тРНК), участвующие в синтезе белка в кач-ве адапторных молекул-переносчиков аминокислот.

Следующим по содержанию (около 15%) типом являётся растворимая РНК (s-PHK), называемая также транспортной РНК, РНК-переносчиком, акцепторной или адапторной РНК. Эта РНК осуществляет перенос аминокислот . s-PHK имеет значительно меньший молекулярный вес (около 25 ООО). Каждой аминокислоте соответствует своя специфическая s-PHK. Необходимо отметить, что не всякая растворимая РНК указанного молекулярного веса действительно может функционировать в качестве акцептора или переносчика аминокислот.

Адапторная гипотеза объясняет также два важных экспериментальных факта. С одной стороны, для любого полипептида, однозначно определяемого соответствующим геном, включение природных, но неподходящих для данного места аминокислот -- крайне редкий факт. С другой стороны, многие аналоги аминокислот, например такие, как селенометионин (аналог метионина), тг-фторфенилаланин или тиенилаланин (аналоги фенилаланина), 5-окситриптофан или азатриптофан (аналоги триптофана) и ряд других, легко включаются в места, предназначенные для тех аминокислот, аналогами которых они являются. Таким образом, аминокислоты могут включаться в места, предназначенные для их природных аналогов, только в том случае, если им удастся обмануть активирующий фермент.

Транспептидация и транслокация в Р и А участках рибосомы

Транспептидация - в А участок рибосомы приходит другая активированная аминокислота карбоксильная группа одной аминокислоты и другой аминокислоты сближаются, образуя пептидную связь. Это происходит на втором этапе (элонгация) трансляции.

Транслокация - процесс перескока рибосомы и он требует затраты ГТФ.Происходит так же на втором этапе синтеза белка.

Рис. 3. Р-ция транспептидации, катализи-руемая рибосомой; cc-два концевых остатка цитидина в тРНК, А-остаток аде-нина.

^ Факторы и механизмы элонгации. Эукариотические клетки содержат в большом количестве фактор элонгации eEF1A, который является функциональным гомологом бактериального фактора EF1A(EF-Tu). Так же как и у бактерий, этот фактор образует тройной комплекс с GTP и аминоацил-тРНК, обеспечивая вхождение последней в А-участок элонгирующей рибосомы. Два других эукариотических фактора eEF1B и eEF2 резко отличаются от бактериальных функциональных аналогов EF1B(EF-Ts) и EF2(EF-G) по аминокислотным последовательностям. Гетеротримерный фактор eEF1B, как и его бактериальный аналог, катализирует обмен GDP на GTP в комплексе eEF1A-GDP. Фактор eEF2, по аналогии с бактериальными системами, обеспечивает транслокацию пептидил-тРНК в P-участок рибосом и перенос деацилированной тРНК в E-участок. У высших организмов этот фактор служит мишенью регуляторных воздействий через фосфорилирование (см. раздел 3.4). Замечательным свойством факторов eEF1A и eEF2 является способность связываться с компонентами цитоскелета эукариотических клеток. Полагают, что это их свойство может обеспечивать один из механизмов внутриклеточного транспорта мРНК, направляющих ее в полисомы.

Растущий полипептид выводится в цитоплазму через канал, начало которого расположено на поверхности рибосомы, где он взаимодействует с белками, распознающими сигнальную последовательность, или с другими цитоплазматическими факторами, которые обеспечивают его направленный транспорт внутри эукариотической клетки. У бактерий растущая полипептидная цепь может вызывать уменьшение скорости элонгации, а природа предпоследней аминокислоты оказывает сильное влияние на терминацию трансляции. Предполагают, что такого рода эффекты являются следствием взаимодействия между строящимся пептидом и факторами трансляции, рРНК или непосредственно каналом, через который он переносится к поверхности рибосомы. Подобные механизмы, по-видимому, функционируют и у эукариот.

У дрожжей, как и у E. coli, скорость элонгации трансляции снижается в присутствии редко встречающихся кодонов в мРНК. Наличие определенного числа таких кодонов вблизи сайта инициации трансляции значительно снижает скорость считывания соответствующих ОРС. На скорость декодирования мРНК рибосомами оказывают влияние и характер фолдинга строящихся полипептидных цепей , а также сигнальные последовательности аминокислот, определяющие направление их посттрансляционного транспорта внутри эукариотических клеток.

В результате реакции транспептидации новоудлиненная пеп-тидил-тРНК занимает А-участок рибосомы, а деацилированная тРНК находится в Р-участке. Другими словами, продукты реакции из рибосомы не освобождены и занимают положения, предназначенные для субстратов. Естественно, что в этом состоянии рибосома не способна осуществлять дальнейшую элонгацию.

Регуляция синтеза белка у эукариот

Механизм регуляции биосинтеза белков в эукариотических изучено гораздо меньше, чем у прокариот. В последние годы благодаря исследованиям в области генной инженерии был достигнут значительный прогресс, в понимании экспрессии эукариотических генов.

Считают, что основные принципы регуляции в них аналогичные прокариот, но в целом этот процесс сложным и происходит иначе. У эукариот существует ряд точек приложения регуляторных влияний, которые абсолютно отсутствуют в прокариот. Для эукариот не характерна прямая субстратная регуляция, распространенная в прокариот. В еукари-отив не найдено регуляторных белков типа белков-репрессор бактерий, которые сочетают в себе функции распознавателя химических сигналов метаболизма (специфически связывают свои метаболиты) и регулятора транскрипции оперона. У млекопитающих и высших растений хроматин, организован в хромосомы, построенный значительно сложнее, чем у бактерий. Генетический материал находится в ядре, которое окружается ядерной мембраной.

Поэтому процессы транскрипции (ядро) и трансляции (цитоплазма) разделены, поскольку рибосомы находятся в основном в цитоплазме. Экспрессия генов в эукариот состоит из гораздо большего количества этапов, чем у прокариот, особенно это касается процессы на-гу пре-мРНК. Сложным является и обратная связь - влияние метаболитов и других химических регуляторов цитоплазмы на активность генов (легко осуществляется у бактерий). Отличие в регуляции обусловлена также межклеточными взаимодействиями, дифференциацией клеток. В отличие от прокариот, оперона эукариот, как правило, моноцистронни, с очень большими регуляторными зонами. Это связано с их способностью воспринимать большое количество различных факторов, которые изменяют транскрипционных активность. В эукариот структурные гены, отвечающие за различные звенья того или иного цепи биохимических реакций, как правило, разбросаны по геному, а не сосредоточены в одном оперона, что часто наблюдается в прокариот. В ядрах дифференцированных клеток большинство генов находится в репрессированному состоянии: время в среднем считываются только около 10% генов.

Все структурные гены эукариот условно делят на три типа: а) гены, которые функционируют во всех клетках организма (например, гены, отвечающие за синтез ферментов энергетического обмена), б) гены, которые функционируют только в тканях одного типа (в частности, синтез миозина в мышечной ткани) в) гены, необходимые для выполнения клетками специфических функций (например, синтез белка хрусталика).

Было показано, что на экспрессию эукариотических генов влияет амплификация и перестройка генов. Известно, что в формировании хроматина участвуют ДНК, белки и небольшое количество РНК. ДНК ассоциируется с гистонами и негистоновимы белками. Установлено, что гистоны и негистонови белки (НГБ) играют важную роль в проявлении активности генома. Так, в опытах на животных было показано, что при удалении гистонов путем расщепления трипсином, активируется синтез РНК и белков. При добавлении гистонов эти процессы подавлялись. У прокариот гистоны отсутствуют.

Гистоны содержат большое количество остатков диаминомонокарбонових кислот (аргинина, лизина) и имеют положительный заряд. Поэтому они легко связываются с отрицательно заряженными остатками фосфорной кислоты полинуклеотидных цепей ДНК и блокируют процесс РНК-полимеразной реакции. Гистоны больше, по сравнению с другими белками, испытывают модификации. Они могут фосфорилюватися за счет АТФ в присутствии фермента протеинкиназы, а также ацетилюватися и метилюватися, что приводит к ослаблению или нейтрализации положительного заряда. Вследствие этого гистоны изменяют уровень укладки ДНК и, таким образом, регулируют ее матричную активность, т.е. теряют свою тормозную способность, так как ослабляется связь между ДНК и гистонами.

Небольшая разнообразие и гетерогенность гистоновых белков (всего 5 различных фракций, хотя модификация и увеличивает их количество) не позволяет полностью объяснить регуляцию функциональной активности ДНК. В связи с этим большое внимание уделяется НГБ, в состав которых 400 входит более кислых белков, содержащих остатки моноаминодикар-боновых кислот. Негистонови белки отличаются большим разнообразием. Известно около 500-600 фракций, поэтому считается, что они выполняют роль специфических регуляторов транскрипции. Они несут отрицательный заряд, но могут быть также связанными непосредственно с ДНК, причем не вообще с любыми ее участками, а специфически, облегчая транскрипцию в месте связывания с ДНК.

Они, как и гистоны, могут в составе хроматина оборотно модифицироваться благодаря реакциям фосфорилирования, метилирования, ацетилирования, АДФ-рибозилювання и др.., При этом изменяется прочность связи с ДНК и количество мест инициации транскрипции. Однако еще недостаточно изучено молекулярный механизм включения транскрипции негистоновы-ми белками. Возможно, приобретая большого отрицательного заряда, они либо образуют комплекс с положительно заряженными гистонами, оттесняя их в определенном участке от ДНК, или дестабилизируют молекулу ДНК, взаимодействуя непосредственно с ней. Этим облегчаются процессы транскрипции. На рис. 83 представлено примерную схему регуляции транскрипции белками хроматина.

Третий тип регуляторов транскрипции - это молекулы, так называемой векторной РНК, которая находится в ядре, не оставляя его в комплексе с белком в виде рибонуклеопротеину (РНП), который может избирательно включать гены путем комплементарной взаимодействия с акцепте-Торн участками транскриптонив. Гистоны, негистонови белки и векторная РНК неравномерно распределены вдоль полинуклеотидных цепей ДНК хроматина. Отдельные участки остаются свободными. Все это обусловливает разную степень розрепресованости отдельных участков ДНК. Состояние ДНК у прокариот отличается по сравнению с эукариотической клетки. В бактериальной клетке ДНК находится в относительно свободной форме.

В эукариотических организмов широко распространенная регуляция активности генов особыми сигнальными веществами, которые вырабатываются другими клетками. Примерами таких сигнальных соединений могут быть гормоны, которые действуют на клетки-мишени (см. Гормоны), нейромедиаторы, биогенные амины. Например, индукторами могут быть некоторые стероидные гормоны, тироксин, которые легко проходят клеточную мембрану, образуют в цитоплазме клетки комплексы со специфическими белками-рецепторами, изменяя их конформацию.

В активированной форме гормон-рецепторный комплекс проникает в ядро, где, связываясь с регуляторными белками хроматина (гистоны, НГБ) или ДНК, способствуют их модификации благодаря или прямом связыванию с ними, или активации ферментов, осуществляющих фосфорилирование, ацетилирование , метилирования, регулируя при этом транскрипцию «своих» генов и синтез специфических белков. Любой из этих механизмов облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором и обеспечивает образование пре-мРНК, а затем - и белка.

Список используемой литературы

1.Альберт Б. Молекулярная биология / Б. Альберт, А. Джонсон - Москва: ИКТ, 2013. 1028 с.

2. Коничев А. С. Молекулярная биология / А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова - Москва: Академия, 2005. 400с.

3. Бокуть С. Б. Молекулярная биология / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович - Москва: В. школа, 2005. 463с.

4. Спирин А. С. Молекулярная биология. Рибосомы и биосинтез белка / А. С. Спирин - Москва: Академия, 2011. 513с.

Размещено на Allbest.ru