Дополнительный материал, знание которого необходимо при изучении данной темы

СТРУКТУРА ОПЕРОНА БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ И РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ФЕРМЕНТОВ.

Генетическая информация в клетке может сниматься как с отдельного гена, так, и с целого их комплекса, в случае, если они контролируют синтез ферментов, участвующих в осуществлении целостного биохимического процесса. В хромосомах такие гены находятся, как правило, вместе, образуя функциональный комплекс - оперон, а вернее его структурную или информативную зону.

Так, если расщепление некоего вещества А до конечного продукта обмена вещества Д происходит через промежуточные продукты В и С (по схеме А→В→С→Д), то для осуществления этого процесса требуется 3 типа белков-ферментов. И в этом случае в составе оперона, контролирующего данный процесс, находится три структурных гена.

С некоторых оперонов (генов) информация в клетке снимается постоянно (например, с оперонов, контролирующих синтез ферментов для расщепления глюкозы). Такие опероны (гены) получили название конститутивных.

С других же информация снимается только при определённых условиях. Такие опероны (гены) называются адаптивными.

Деятельность таких адаптивных генов в свою очередь контролируется участком ДНК, расположенным перед структурными генами оперона – о п е р а т о р о м. Сами операторы не несут генетической информации. Их функция - управление деятельностью оперона. Поэтому участок оперона, соответствующий операторам, получил название управляющей, неинформативной или акцепторной зоны. (В клетках эукариот акцепторная зона значительно превосходит структурную). В эту же зону входит и небольшой участок ДНК перед опероном, с которого начинается синтез и-РНК, получивший название п р о м о т о р а. Позади структурных генов находится зона т е р м и н а т о р а.

Таким образом, оперон состоит из структурной и управляющей зон, промотора и терминатора. Генетическая информация снимается со всего оперона в виде одной молекулы и-РНК. На рибосомы же попадает лишь та её часть, которая соответствует информативной зоне.

СХЕМА СТРОЕНИЯ ОПЕРОНА БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Р

О

Т

Фермент РНК-полимераза

р о т и-РНК

↓ ↓

ферменты

1 2 3

Условные обозначения: Р – промотор, О – оператор, 1,2,3 - структурные гены, Т – терминатор.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ФЕРМЕНТОВ В БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКЕ

Регулирующая деятельность оператора заключается в том, что он, в зависимости от условий существования клетки, то"открывает" то "закрывает" доступ ферменту РНК-полимеразе к структурным генам оперона ("открыт"-"закрыт"), и сам контролируется специальными белками-репрессорами. Эти белки проявляют строгую специфичность, взаимодействуя только с определёнными операторами, а их структура закодирована в специальных генах – р е г у л я т о р а х (в состав оперона эти гены не входят). Очевидно, что генов-регуляторов столько, сколько адаптивных оперонов (генов) присутствует в конкретном геноме.

Белки-репрессоры являются а л л о с т е р и ч е с к и м и белками, т.е имеют два центра, способных менять свою активность в зависимости от условий существования клетки. Один из них, будучи в в активном состоянии, способен соединяться с зоной оператора, блокируя весь оперон и закрывая доступ РНК-полимеразе к структурным генам. Второй центр – центр узнавания с у б с т р а т а реакции или конечного продукта ее. Активация (индукция) репрессоров осуществляется двояким образом - различным в биохимических реакциях синтеза и расщепления. Соответственно, различно контролируется и деятельность оперонов по синтезу ферментов в этих реакциях.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ФЕРМЕНТОВ В БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ РАСЩЕПЛЕНИЯ

В биохимических реакциях расщепления индуктором (побудителем деятельности оперона является само расщепляемое вещество (субстрат реакции). В отсутствии субстрата реакции белки-репрессоры активны относительно оператора, соединяются с ним, и информация со структурных генов на синтез ферментов для расщепления субстрата не снимается. И, наоборот, если к питательной среде, на которой растет клетка, добавляется субстрат, то последний вступает во взаимодействие с репрессорами, делая их неактивными относительно оператора. При этом открывается доступ к структурным генам оперона, и снимается информация на синтез ферментов.

Примерно так происходит регуляция деятельности оперона кишечной палочки, содержащего информацию на синтез ферментов, расщепляющих молочный сахар лактозу. Лактоза - сложный сахар, состоящий из молекул галактозы и глюкозы. Клетке требуется отщепить от молекулы лактозы глюкозу, транспортировать ее в клетку и подготовить ее к усвоению (на расщепление глюкозы ферменты в клетке присутствуют всегда, так как их синтез контролируется конститутивными генами). Для этой реакции требуется три фермента. И, таким образом, лактозный оперон кишечной палочки состоит из трёх структурных генов. При отсутствии в питательной среде лактозы оператор лактозного оперона блокируется активным белком-репрессором - синтез ферментов отсутствует. При добавлении в питательную среду лактозы её молекулы соединяются с белками-репрессорами, делая их неактивными относительно оператора. При этом открывается доступ к структурным генам на синтез ферментов расщепления.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ФЕРМЕНТОВ В БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ СИНТЕЗА

В биохимических реакциях синтеза роль регуляторов активности репрессоров выполняют конечные продукты синтеза. Если клетка полностью использует образующийся при синтезе продукт, то в отсутствии лишних молекул этого продукта белки-репрессоры неактивны в отношении оператора. Структурные гены доступны для РНК-полимеразы, осуществляющей синтез и-РНК для синтеза ферментов.

Как только потребности клетки в синтезируемом продукте будут удовлетворены полностью и в цитоплазме появятся неиспользованные молекулы, они соединяются с белками-репрессорами. Такой комплекс проявляет повышенную активность относительно операторов, блокируя их. Синтез ферментов прекращается.

Вопросы для определения исходного уровня знаний

1. Как называется триплет Т-РНК, комплементарный кодону И-РНК? – а)

2. Перечислите основные этапы синтеза белка в эукариотической клетке: а), б), в), г)

3. Сколько кодирующих триплетов в генетическом коде? – а)

4. Перечислите основные компоненты оперона прокариот: – а), б), в)

5. В каких периодах жизненного цикла клетки осуществляется транскрипция? – а), б)

6. Зная кодон РНК аминокислоты фенилаланина (УУА), напишите антикодон т-РНК: а)

7. Перечислите основные свойства генетического кода: а), б), в), г), д)

8. Как называется участок оперона, взаимодействующий с РНК-полимеразой?– а)

9. Сущность процессинга проматричной и-РНК у эукариот: а), б), в), г)

10. Какие условия необходимы для транскрипции? – а), б), в), г)

11. Классификация генов в зависимости от их активности в онтогенезе: а), б)

12. Структурная классификация генов: а), б), в), г), д)….

13. Функциональная классификация генов: а), б), в), г), д)…

14. В каких ДНК нарушается свойство универсальности генетического кода? – а)

15. Чем отличается первичный транскрипт от зрелой и-РНК? – а), б), в)…

16. Основные направления потока наследственной информации: а), б), в), г), д), е)

17.. Какую роль выполняет фермент эндонуклеаза ("выгрызаза") в ходе редупликации ДНК? – а)

18. Как называются смысловые (а) и "бессмысленные" (б) участки сложного эукариотического гена? – а), б)

19. Какую роль выполняет участок РНК "cap" при синтезе белка? а)

20. Этапы процессинга первичного транскрипта: а), б), в), г)

21. В каком направлении считывается информация с м-РНК? а)

6. Основа ориентировочного действия (ООД) для проведения самостоятельной работы

Задание 1. Составьте поэтапную схему репликации ДНК с указанием основных условий и ферментативного обеспе чения.

Репликация молекулы ДНК - это многоступенчатый, полиферментативный процесс. Он состоит из нескольких этапов: растягивание нитей, раскручивание, синтез РНК, вырезание их, удвоение участков ДНК, их сшивание.

3 а д а ч а 1: Составить схему репликации участка молекулы ДНК, имеющего следующий нуклеотидный состав:

^3'ГЦЦАГТТЦТЦГАТТЦЦАТГГЦЦТГ^{5 '}

⁵ЦГГТЦААГАГЦТААГГТАЦЦГГАЦ³

(условно считать, что один репликон равен 8 нуклеотидам).

З а д а ч а 2: Изобразить двунитчатую ДНК, состоящую из 30 мономеров и провести её редупликацию, при условии, что точка инициации находится между 15 и 16 нуклеотидами, а фрагмент Оказаки равен пяти нуклеотидам.

Задание 2. Охарактеризуйте следующие свойства генетического кода: триплетность. неперекрываемость, вырожденность, универсальность, колинеарность. однонаправленность.

3 а д а ч а 3: Начало а-цепи гемоглобина быка соответствует следующему чередованию аминокислот: гли-иле-вал-глу-гли-цис-ала--сер-вал. Восстановите участок ДНК, кодирующий данную последовательность (для решения данной задачи используйте таблицу ключевых кодонов).

Задание 3. Разобрать теоретический материал потранскрипции ДНК в эукариотической клетке. Изобразить в тетради схему этапов процессинга РНК.

3 а д а ч а 4: Начало гена триптофансинтетазы мухи дрозофилы соответствует следующему составу нуклеотидов: ^5'ТАЦГТТАЦТАТАЦТТТТАГААГГГ^3' Последние три триплета входят с состав интрона. Каков по составу аминокислот фрагмент полипептида кодируется данным участком гена?

Задание 4. Изобразить в тетрадях поэтапную схему процесса

трансляции и схему строения т-РНК.

3 а д а ч а 5: Отрезок ДНК имеет следующий состав эксонов:

^3' Т А Ц Г Т Т А Ц Т А Т А Ц Т Т^5'

Какие типы т-РНК будут принимать участие в трансляции? В каком направлении будет считываться информация с м-РНК?

Задание 5. Решить задачу на обратную транскрипцию.

3адача 6: Один из участков гена арбовируса клещевого энцефалита имеет следующий состав нуклеотидов: ^5'УЦЦУУУЦАУУАГЦАААААГГА^3'. Изобразите поэтапную схему реализации данной информации. Каков аминокислотный состав кодируемого данным фрагментом гена полипептида?

Задание 6. Изобразить в тетради схему оперона

а) в реакции расщепления лактозы (3 фермента)

б) в реакции синтеза аргинина из триптофана (4 фермента).