Регуляция работы генов у эукариот
Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г.П. Георгиевым (1972). Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но механизмы ее по сравнению со схемой регуляции у прокариот более сложны. Единица транскрипции у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной и информативной зон. Деинформативная (акцепторная) зона начинается промотором с инициаторов транскрипции. Далее следуют группа генов-операторов, за которыми расположена информативная зона. Информативная зона образована, как правило, одним структурным геном, в конце которого расположен терминатор транскрипций.
Структурные гены эукариот имеют вставки из неинформативных, "молчащих", участков ДНК - интронов. Информативные участки структурных генов называются экзонами. Один структурный ген может содержать десятки экзонов и интронов.
Работу транскриптона регулируют несколько генов-регул-торов, дающих информацию для синтеза такого же количества белков-репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (например, гормоны). Когда индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-поли-мераза разрывает водородные связи между двумя цепочками ДНК транскриптона, начиная с инициатора транскрипции. По правилу комплементарности на кодирующей цепочке сначала синтезируется большая молекула проинформационной РНК (про-и-РНК), списывающая информацию (порядок нуклеотидов) как с информативной, так и с неинформативной зоны. В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг – ферментативное разрушение неинформативной части РНК и расщепление ферментами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Молекулы и-РНК формируются посредством сплайсинга (сплавления) отдельных информативных фрагментов ферментами лигазами. Этот процесс называется созреванием. В начале зрелой и-РНК имеется кодон-инициатор, а в конце – кодон-терминатор трансляции. В каждый определенный момент сплавляться могут фрагменты и-РНК, соответствующие разным экзонам структурного гена. Благодаря этому один структурный ген может детерминировать синтез нескольких разных белков, т. е. он является полицистронным, а зрелая и-РНК - моноцистронная (определяет синтез конкретного полипептида). Далее зрелая и-РНК выходит из ядра и поступает в рибосомы, где и происходит синтез соответствующих белков-ферментов, расщепляющих индуктор. Включение и выключение транскриптона осуществляется принципиально так же, как и оперона (рис. 8).
Рис. 8. Схема регуляции транскрипции у эукариот
Таким образом, у эукариот синтез и-РНК и ее трансляция происходят независимо друг от друга в разное время в различных частях клетки: сначала транскрипция и созревание в ядре, а затем трансляция в рибосомах цитоплазмы.
В геноме эукариот встречаются уникальные последовательности нуклеотидов (одна в геноме), составляющие от 15 до 98% всего генома (у человека – 56%). Уникальные последовательности входят в состав структурных генов (несут информацию о структуре полипептидов), причем более половины из них — неактивные (в клетках разных тканей "работают" различные блоки генов).
Наличие неинформативных участков (интронов) в генах эукариот ~ универсальное явление. Считается, что интроны содержат запасную информацию, обеспечивающую изменчивость. В гено-мах эукариот также содержатся последовательности нуклеотидов, которые многократно повторяются (десятки, сотни и даже миллионы раз). Повторяющиеся последовательности нуклеотидов выполняют разнообразные функции: являются промоторами, инициаторами, терминаторами, регулируют репликацию молекул ДНК, участвуют в кроссинговере и т. д.
В геномах эукариот содержатся также повторяющиеся последовательности нуклеотидов с непостоянной локализацией (способны передвигаться вдоль молекулы ДНК) – т р а н с п о-
з о н ы, которые могут изменять активность структурных генов, расположенных рядом.
Жизнедеятельность организма обусловлена в основном функциональной активностью уникальных генов, которая в свою очередь зависит от состояния внутренней среды организма (например, от гормонального фона) и условий окружающей среды.
Занятие 2.Процессы синтеза белка, ген в современном понятии, свойства гена, регуляция генной активности у прокариот и эукариот.
Литературa: 1, 2, 7, 9.
Вид занятия: лабораторное.
Время: 2 часа.
Место проведения: учебный класс.
Цель занятия:Изучить расшифровку генетического кода, его свойства, особенности синтеза белка в клетке. Ознакомиться со строением и функцией гена, регуляцией активности генов у эукариот и прокариот и механизмами реализации генетической информации.
Материальное обеспечение: сборники задач, индивидуальные задания, рисунки, таблица генетического кода.
Содержание и методика проведения занятия.
Задание 1.
а) На приведенной цепочке ДНК образуйте комплементарную цепочку ДНК с обозначением водородных связей:
б) На участке цепи ДНК синтезируйте – и-РНК.
в) На и-РНК (м-РНК) определите последовательность включения аминокислот в молекулу полипептидной цепи белка.
Задание 2. В соответствии с последовательностью аминокислот в полипептиде определите состав кодонов в и-РНК, состав триплетов на участке ДНК (ген).
Полипептид
и-РНК
ДНК
Задание 3. На основании антикодонов т-РНК определите кодоны и-РНК и постановку соответствующих аминокислот.
Кодоны и-РНК
Антикодоны т-РНК
Полипептид
Задание 4. Объясните сущность и схему синтеза белка в клетке.
Контрольные вопросы (20 мин.):
1. Генетический код и его свойства.
2. Синтез белка в клетке.
а) Транскрипция.
б) Процессинг (процесс созревания и-РНК).
в) Трансляция.
3. Ген, строение, свойства.
4. Регуляция генной активности у эукариот и прокариот.
Подведение итогов 10 мин.