Регуляция биосинтеза белка

Клетки многоклеточного организма содержат одинаковый набор ДНК, но белки синтезируются разные. Например, соединительная ткань активно синтезирует коллаген, а в мышечных клетках такого белка нет. В эритроцитах содержится Нb, и информация о Нb содержится во всех клетках. С возрастом скорость синтеза изменяется.

Основные уровни регуляции биосинтеза:

1. Регуляция синтеза белка на стадии репликации

Регуляция на данной стадии возможна путем добавления (или удаления) кодирующих (или регуляторных) участков на ДНК. Суть данного способа заключается в следующем: если удалить матрицу (“деминуция”), то и синтеза белка с нее не будет, а если увеличить дозу определенного гена в ДНК (“амплификация”, “мультипликация”), то появится возможность ускорить построение белков на многих одинаковых матрицах.

В большинстве случаев наличие избыточной генетической информации отрицательно сказывается на жизнеспособности клеток, а ее недостаток, возникающий из-за недорепликации ДНК, приводит к их гибели из-за отсутствия жизненно важных генов. Однако в природе известны изменения дозы генов в нормальном клеточном цикле или онтогенезе организма. Такие процессы в норме идут под жестким контролем специальных механизмов. Пример деминуции генов наблюдается у аскариды, теряющей в онтогенезе значительное число генов соматических клеток. Устранение генов из состава ДНК приводит к прекращению синтеза всех закодированных в них белков.
2. На уровне транскрипции.

Варианты:

- групповая репрессия генов белками – гистонами;

- амплификация генов - увеличение числа копий заданного участка ДНК или гена. Достигается в результате многократного синтеза ДНК в одном и том же репликативном пузыре. В этом случае транскрипция будет возможна сразу с нескольких копий гена, что увеличивается скорость транскрипции. Эта регуляция изучается у опухолевых клеток, которые способны к амлификации;

- регуляция сигналами-усилителями. Сигналы-усилители - энхансеры - выступающий участок ДНК, который может быть значительно удален от промотора. Под действием энхансера наблюдается более чем 200-кратное увеличение скорости транскрипции. Действует неспецифично, усиливая транскрипцию многих генов.

Пр.: действие гормонов коры надпочечников: глюкокортикоиды проникают внутрь клетки, где взаимодействуют с рецептором, посредством чего проникают в ядро, где присоединяются к ДНК и превращают участок ДНК в энхансер. При этом запускается синтез ферментов, характерных для действия глюкокортикоидов. Данный механизм работает только у эукариот.

3. регуляция на уровне процессинга иРНК:

- разрешение или запрещение процессинга. Так, не все пре-иРНК превращаются в зрелые иРНК: пре-иРНК ®иРНК;

- дифференциальный (альтернативный) процессинг. В клетках эукариот возможен многовариантный процессинг, поэтому утверждение 1 ген®1 белок для них не всегда справедливо. Это происходит в результате потери некоторых экзонов.

Пр.: С-клетки щитовидной железы и нейроны имеют одинаковый ген, который в С-клетках кодирует выработку кальцитонина (регулирует уровень Са2+), а в нейронах дифференцирует процессинг белка CGRP-пептид (регулирует АД).

4. регуляция на уровне трансляции:

- тотальная репрессия или активация трансляции при изменении активности и количества белковых факторов (ФИ и ФЭ);

- избирательная дискриминация иРНК, например, при инфицировании клетки вирусом транслируется вирусная РНК, а РНК хозяина дискриминируется.

- механизм повышения эффективности трансляции включает образование полисом - это комплекс нескольких рибосом с одной иРНК. Расстояние между соседними рибосомами составляет 80 нуклеотидов.

5. Регуляция биосинтеза белков путем посттрансляционной модификации
Посттрансляционная модификация белков менее распространена, чем процессинг РНК. Тем не менее известны случаи, когда при развитии некоторых вирусов трансляция полицистронной матрицы приводила к образованию общей полипептидной цепи, разрезаемой в дальнейшем на индивидуальные белки специфическими протеиназами. Кроме того, широко известен процессинг ряда ферментов, превращающий их неактивные формы в активные.
У прокариот наиболее распространенным видом процессинга белков является удаление «сигнального» пептида из молекул секре-тируемых белков. Такие белки и ферменты содержат на NH₂-Komje гидрофобный пептид из 15–30 аминокислот, который необходим для транслокации белка через цитоплазм атическую мембрану в процессе его синтеза. После завершения транслокации «сигнальный» пептид удаляется специальной «сигнальной» пептидазой.
К группе процессов посттрансляционной модификации можно отнести ферментативное присоединение коферментов к готовой молекуле апофермента, а также, с некоторой долей условности, и формирование мультимерных белков из нескольких полипептидных цепей с участием белков-шаперонов.

33. Посттрансляционная модификация белков

Многие белки и секретируемые пептиды претерпевают различные структурные изменения в результате котрансляционных и посттрансляционных модификаций, т.е. во время или после завершения их синтеза рибосомами. Описано более 100 различных посттрансляционных модификаций белков. Роль большинства этих модификаций не выяснена; некоторые из них случайны и, по-видимому, не имеют функционального значения, но есть и такие, которые важны для жизни клетки, так как они тщательно контролируются специфическими ферментами. Модификации происходят в Эндоплазматической сети и аппарате Гольджи. В этих органеллах, например, ферменты гликозилирования добавляют к белкам сложные цепи остатков сахаров, образуя гликопротеины. Единственный известный случай гликозилирования в цитозоле клеток млекопитающих - это добавление к белкам N-ацетилглюкозамина.Однако множество других ковалентных модификаций протекает в первую очередь именно в цитозоле. Некоторые из них стабильны и необходимы для активности белка, например, ковалентное присоединение коферментов (биотина, липоевой кислоты или пиридоксальфосфата).

Среди известных в настоящее время модификаций описана одна, чрезвычайно важная для доставки белков к месту назначения. Присоединение жирной кислоты к белку направляет его к определенным мембранам, обращенным в цитозоль.

Важной функцией фосфоинозитидов является так называемая якорная функция - к ним прикрепляются многочисленные белки наружной поверхности клетки (рис.36). Для фосфоинозитидов, служащих якорем мембранных белков, характерно высокое содержание миристиновой кислоты. В якорных фосфоинозитидах инозитольная часть липида гликолизирована. Связь белков с фосфоинозитидгликанами осуществляется через концевой этаноламин.

Определенные ковалентные модификации, происходящие в цитозоле, обратимы и служат для регуляции активности многих белков (рис.8-15). Многие клеточные процессы регулируются путем обратимого фосфорилирования-дефосфорилирования белков.

Посттрансляционные модификации включают в себя фосфорилирование факторов транскрипции протеинкиназами, гликозилирование остатков Asn в последовательностях Asn-X- [SerThr], N-концевое ацилирование, циклизацию N-концевого остатка Glu с образованием пироглутаминовой кислоты, C-концевое амидирование последовательностей освобождающихся пептидов, гидроксилирование остатков Lys и Pro, метилирование различных остатков аминокислот.

Многие из перечисленных модификаций являются критическими для биологической активности пептидов. В частности, карбоксиамидирование C-концевого Gly активирует окситоцин и вазопрессин, а перенос сульфогруппы на остаток Tyr в холецистокинине-8 оказывается критическим для проявления его активности в поджелудочной железе. N-Ацетилирование бета-эндорфина блокирует его опиоидную активность, тогда как ацетилирование меланоцитстимулирующего гормона усиливает его влияние на синтез меланинов. Поскольку большинство этих модификаций - тканеспецифические, пептиды, обладающие различной биологической активностью, должны быть доставлены к различным тканям в виде предшественников, где они претерпевают специфический процессинг.

34. Особенности репликации вирусного генома. Повреждения и репарация ДНК. Интерфероны, их биологическое действие и применение в медицине.
ОСОБЕННОСТИ РЕПЛИКАЦИИ ВИРУСНОГО ГЕНОМА

Отличие вирусов от других организмов заключается в двух особенностях: I) вирус­

ная частица (вирион) содержит только один вид нуклеиновых кислот — или ДНК,

или РНК; 2) вирионы отличаются необычной для живых существ простотой орга­

низации — они не имеют собственного метаболизма, не содержат клеточных орга­

нелл, в том числе рибосом, и очень часто состоят только из нуклеиновой кислоты,

заключенной в белковую оболочку. В связи с этим вирусы способны размножаться

исключительно за счет использования метаболического аппарата другой клетки,

т. е. они являются внутриклеточными паразитами.

Цикл размножения вируса начинается с его прикрепления к поверхности

клетки. Вирион содержит специальные белки, узнающие определенные вещества

мембраны клетки-хозяина; эти вещества называют рецепторами вируса. Напри­

мер, бактериофаг Т4 прикрепляется только к клеткам Е. coli, полиовирус — к оп­

ределенным клеткам человека, а также обезьян, вирус гриппа — к клеткам слизи­

стой оболочки дыхательных путей. После прикрепления вирион проникает через

мембрану внутрь клетки; иногда в клетку попадает только нуклеиновая кислота

вириона. Затем с использованием аппарата клетки-хозяина начинается реплика­

ция вирусного генома и синтез вирусных белков; из них путем самосборки образу­

ются новые вирионы, которые освобождаются из клетки, либо разрушая ее (ли­

зис клеток), либо проходя через мембрану без разрушения клетки.

Многие вирусы в качестве генетического материала содержат ДНК, но есть

группа вирусов, геном которых представлен рибонуклеиновой кислотой. Размеры

генома вирусов невелики. Например, в ДНК бактериофага Т4 обнаружено

135 генов; из них 36 генов кодируют синтез разных белков, входящих в оболочку

фага, а остальные — гены белков, обеспечивающих переключение аппарата клет­

ки-хозяина на синтез компонентов вируса, а также гены белков, выполняющих

вспомогательную роль при самосборке вирионов. Геном маленького бактериофага

jX174, также паразитирующего на Е. coli, содержит всего 9 генов. Размеры нуклеи­

новых кислот некоторых вирусов указаны в табл. 4.3.

В молекулярной биологии принят основной постулат: ДНК → мРНК → белок. Однако, в 1970-е гг. Тёмин открыл фермент обратную транскриптазу (или ревертазу), катализирующую процесс обратной транскрипции (мРНК → кДНК - комплементарная ДНК). Этот процесс характерен для РНК-содержащих вирусов (ретровирусов), в которых имеется ревертаза, напр., для ВИЧ.

Обратная транскрипция заключается в синтезе короткого фрагмента ДНК, используя мРНК в качестве матрицы. Эта вирусная ДНК внедряется в ДНК хозяина (интеграция), что может приводить к образованию новых вирусных частиц. Интеграция беспорядочна и может впоследствии привести (1) к мутациям, (2) к образованию онкогенов, (3) к усиленной работе эмбриональных генов (которые в норме во взрослом организме не функционируют).

Механизм репликации генома ДНК-содержащих вирусов принципиально не

отличается от репликации ДНК других организмов. РНК-содержащие вирусы по

механизму репликации генома делятся на две группы. В одну групп)7входят по-

лиовирус, вирусы гриппа, бешенства, везикулярного стоматита, реовирусы, ви­

русы свинки, кори и др. Репликация РНК этих вирусов происходит при участии

РНК-репликазы (РНК-зависимой РНК-полимеразы); фермент катализирует син­

тез РНК, используя в качестве матрицы тоже РНК.

Такого фермента нет в клетках организма-хозяина: он содержится в самих ви­

русных частицах и вместе с ними попадает в инфицируемую клетку. В результате

действия РНК-полимеразы увеличивается количество молекул вирусной РНК.

Одновременно происходит трансляция этих РНК и образуются вирусные белки, в

том числе РНК-репликаза. Цикл размножения завершается самосборкой вирионов.

Репликация генома другой группы РНК-содержащих вирусов происходит че­

рез промежуточное образование ДНК. Эти вирусы содержат обратную транскрип-

тазу (РНК-зависимую ДНК-полимеразу). Обратная транскриптаза катализирует

синтез ДНК, используя в качестве матрицы РНК; при этом сначала образуется

гибридная молекула РНК-ДНК.

Вирусы. Общий Принцип: репликация создает новые ДНК или РНК, а путем транскрипции создается белковые оболочки для новых поколений вирусов.

Повреждение и репарация вся в 28 вопросе!

Интерферонами называют группу белков, регулирующих некоторые функции клет­ки, в частности реакцию клетки на вирусную инфекцию. Интерферон I представ­лен двумя формами — а и р. Синтез интерферонов индуцируется некоторыми ком­понентами вирусных частиц, в том числе двуспиральной РНК, имеющейся во мно­гих вирусах. Интерферон, в свою очередь,индуцирует синтез фермента, который синтезирует олигонуклеотид (2',5'-олигоА), при этом последний активирует PHKa-зу. В результате разрушаются мРНК и подавляется образование вирусных белков.

Кроме того, интерферон индуцирует синтез протеинкиназы, которая катали­зирует фосфорилирование одного из факторов инициации — фактора eIF2. Активно используются в медицине, свободно продаются в качестве противовирусных препаратов.

35. Молекулярные механизмы генетической изменчивости. Виды и причины мутаций, связь между мутагенными факторами и типом мутаций. Частота мутаций. Роль хромосомных и геномных мутаций в формировании генотипа и фенотипа в ходе биологической эволюции. Генотипическая гетерогенность в популяции человека.

Молекулярные механизмы изменчивости.

1)Повреждения и репарация ДНК

2)Апоптоз- механизм запрограмированной и регулируемой гибели клеток. Он начинается с повреждений систем репараций ДНК и накопление повреждений ДНК. Эти изменения активируют ряд специфических протеаз в клетке, которые активируют эндонуклеазы. Эндонуклеазы гидролизуют ДНК сначала на крупные фрагменты(около 50 000 нуклеотидов), а затем происходит гидролиз по межнуклеосомным областям ДНК и образуются фрагменты размером около 180 н.п. Далее клетка распадается на мембранные везикулы, содержащие франментированную ДНК и другие компоненты клетки, и всё это вспоследствии поглощается фагоцитирующими клетками. Таким путем устраняются клетки, размножение которых может быть опасным для организма, например привесли к развитию раковой опухоли.

3) Мутагенез, вследствии воздействия мутагенов(нитраты, УФ излучение и т.д.)

Точечная мутация

Точечная мутация, или единственная замена оснований, — тип мутации в ДНК или РНК, для которой характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется и в отношении парных замен нуклеотидов. Термин точечная мутация включает так же инсерции и делеции одного или нескольких нуклеотидов.

Хромосомные мутации

Инверсии -поворот участка на 180градусов. пример: АБВ---ВБА

Транслокации - перенос какого-то участка хромосомы в другое место той же хромосомы или на другую хромосому

Делеции - выпадения букв из цепи.

Дупликации - тип хромосомной перестройки (мутации), заключающийся в удвоении какого-либо участка хромосомы

Геномные мутации

1. Анеуплоидия(уменьшение количества хромосом в 2 и более раз)

2. Полиплоидия(увеличение количества хромосом в 2 и более раз)

Ядерные и цитоплазматические мутации

Ядерные мутации — геномные, хромосомные, точечные.

Цитоплазмотические мутации — связанные с мутациями неядерных генов находящихся в митохондриальной ДНК и ДНК пластид — хлоропластов.

Частота мутаций
Мутации, в отличии от репурируемых повреждений ДНК- сравнительно редкие события. При расчете на единичный ген одна из каждых 100 000-1 000 000 гамет содержит вновь возникшую мутацию. Однако для генотипа в целом мутация- явление совсем не редкое: если принять число генов у человека равным 50 000, то получается что значительная часть гамет имеет новую мутацию. Большая часть мутаций резко нарушает жизнеспособность клетки: в результате мутаций гибнет до 80%гамет на самых ранних стадиях развития.

Сохраняющиеся в поколениях изменение одного и того же гена отражают филетическую эволюцию этого гена и соответствующего белка. В результате филетической эволюции общее число генов в геноме индивида не изменяется. Однако в генофонде популяции разнообразие генов при этом увеличивается.

Роль хромосомных и геномных мутаций в эволюции. Все перечисленные выше характеристики верны для всех типов мутаций – генных, хромосомных и геномных. Однако, такие геномные и хромосомные мутации как полиплоидия (кратное увеличение количества хромосом) и дупликации (удвоения определенных участков хромосом) играют особую роль в эволюции. Это связано с тем, что они увеличивают количество генетического материала и тем самым открывают возможность возникновения новых генов с новыми свойствами.

Расшифровка генома человека и других организмов показала, что многие гены и участки хромосом представлены в нескольких копиях. К ним относятся множество генов, отвечающих за синтез рибосомной РНК, гистонов (белков, участвующих в упаковке ДНК в хромосомах) и многих других. Таких генов нужно много для того, чтобы обеспечить высокий уровень синтеза, контролируемых ими продуктов. Следует ли из этого, что множественные копии этих генов возникли для этого? Конечно же, нет. Удвоение всего генома или его отдельных участков происходило случайно. При этом удваивались не только эти гены, но и многие другие. Естественный отбор, однако, «поступал» с этим лишними копиями по-разному. Некоторые копии оказались полезными, и естественный отбор поддерживал их в популяциях. Другие оказались вредными, поскольку «больше - не всегда лучше». В этом случае отбор или отбраковывал носителей таких копий, или способствовал размножению таких особой, у которых излишние копии генов терялись в результате других хромосомных мутаций – делеций. Были, наконец, и нейтральные копии, присутствие которых никак не сказывалось на приспособленности их носителей.

Эти лишние копии становились резервом эволюции. Мутации в таких «резервных генах» не так строго отбрасывались отбором, как мутации в основных, уникальных генах. Резервным генам было «позволено» меняться в более широких пределах. Со временем они могли приобретать новые функции и становиться все более и более уникальными. Ярким примером последствий такого процесса является многочисленное и разнообразное семейство генов глобинов млекопитающих. Анализ последовательности нуклеотидов в этих генах показывается, что все они произошли в результате серии последовательных удвоений одного-единственного гена. За каждым удвоением следовало накопление случайных мутаций и постепенное изменение их функций, синтезируемых ими белков.

Когда мы сравниваем кариотипы разных видов млекопитающих, мы обнаруживаем, что в ходе эволюции этих видов происходили и закреплялись и другие хромосомные мутации, такие как транслокации и инверсии. Кариотип человека отличается от шимпанзе и других антропоидов одной транслокацией и несколькими инверсиями. За десятки миллионов лет независимой эволюции в кариотипах человека и землеройки возникли и закрепились десятки различных транслокаций и инверсий. Эти хромосомные перестройки не могли бы закрепиться, если бы они резко нарушали жизнеспособность или плодовитость их носителей.

В результате транслокаций и инверсий меняется взаимное расположение генов и, следовательно, характер их взаимодействия. В настоящее время хорошо известно, какую важную роль в проявлении генов играют их регуляторные элементы. Эти элементы, как правило, находятся в тех же хромосомах, что и контролируемые гены, но часто на большом расстоянии от них. Отрыв гена от его регуляторного элемента, обусловленный инверсией или транслокаций, или соединение этого гена с чужим регуляторным элементом может приводить к значительным изменениям в функции гена – времени его проявления в развитии, типе клеток, в которых этот ген активен, в количестве синтезируемого белка. К таким же последствиям может приводить и перемещение мобильных генетических элементов, которые могут захватывать и переносить с места на место регуляторные элементы.

В геноме обнаружены участки, где довольно часто происходят разрывы хромосом, ведущие к образованию хромосомных перестроек. Найдены и участки преимущественной локализации мобильных генетических элементов. Интересно, что во многих случаях это одни и те же участки. Таким образом, мы можем говорить о неслучайном распределении этих участков по геному. Однако, и как все остальные мутации, хромосомные перестройки и перемещения мобильных элементов случайны. Они случайно меняют функции генов, находящихся вблизи точек разрывов, они случайно распределяют гены по геному. Они приводят к тому, что возникает множество новых «коалиций» генов, а приспособительная ценность этих «коалиций» оценивается отбором.

Генотипическая гетерогенность(разнообразие) популяций человека повышает эффективность использования ресурсов и способствует повышению продуктивности и устойчивости. Например наличие в составе популяции растений раннецветущего и позднецветущего экотипов повышает ее устойчивость к заморозкам, наличие экотипа, более активно накапливающего цианиды – устойчивость к фитофагам и т.д.

Гетерогенность природных популяций моделируется в практике сельского хозяйства: используются смеси из нескольких сортов культурных растений с разными экологическими особенностями (более засухоустойчивого и менее засухоустойчивого, высокого и низкого и т.д.). Такие смеси сортов дают более устойчивый урожай, хотя в отдельные годы, наиболее благоприятные для одного или другого сорта-экотипа, его урожай в чистом посеве может быть выше.

Наличие экотипов, устойчивых (преадаптированных) к действию гербицидов, объясняет феномен быстрого «приспособления» сорных видов к химическим мерам контроля их популяций. Подобные экотипы могут отбираться и по устойчивости к загрязнению почвы тяжелыми металлами.

Генотипическое разнообразие внутри популяций ставит дополнительные задачи перед охраной биоразнообразия, которая должна обеспечивать сохранение не только видов, но и их экотипов.