Матричный синтез

     Если  ранние гены транскрибируются с помощью  холофермента бактерии-хозяина, то средние гены обеспечиваются работой сигма-факторов σqp₂₈ , σqp_33-34 . таким образом, бактерия поставляет для транскрипции холофермент, продукты ранних генов используются для транскрипции средних, а продукты средних – для транскрипции поздних генов. Чтобы переключить транскрипцию с ранних генов на средние, необходимо заменить факториальный сигма-фактор на фаговый. При этом бактериальный сигма-фактор диссоциирует. В транскрипции поздних генов участвуют сигма-факторы фага σqp_33-34. Замечено, когда они мутируют, то транскрипция поздних генов прекращается.

     Транскрипция протекает в три этапа: инициация, элонгация, терминация. На первой и последней стадиях фермент РНК-полимераза взаимодействует с ДНК. На первой – фермент инициирует синтез, тогда как на последней отделяется от РНК после завершения транскрипции. Фермент передвигается вдоль молекулы ДНК, синтезируя РНК. Последовательность ДНК в комплексе с РНК-полимеразой, σ (сигма), ρ(РО)-факторами, продуктом гена nus-A называется промотором. Синтез РНК начинается со стартовой точки, в качестве которой выступает пара оснований в ДНК, которая первой включается в транскрипт. ДНК, предшествующая стартовой точке, называется «последовательностью против хода транскрипции», а расположенная за нею – «последовательностью по ходу транскрипции».

     Транскрипция  протекает слева - направо, то есть в направлении 5^/-3^/. Последовательность, расположенная слева это «-», а справа «+»-последовательность. Следовательно, экранируемый РНК-полимеразой фрагмент ДНК находится в пределах от -20 до+20, то есть по обе стороны от стратовой точки расположено по 20 нуклеотидов.

     Для осуществления процесса узнавания  ДНК ферментом РНК-полимеразой  нужен другой участок, который лежит  против хода транскрипции на расстоянии 70-80 п.н., а поблизости расположен белок-активатор катаболизма (БАК), или САР-белок.

     Против  хода транскрипции от стартовой точки расположена область, состоящая из шести нуклеотидных пар. Это блок (ящик) Прибнова с последовательностью ТАТААТ. Это среднестатистическая последовательность, но чаще всего она представлена канонической последовательностью T ₈₀A ₉₅t ₄₅A ₆₀a ₅₀T ₉₆ , где цифрами показана частота встречаемости оснований. Заглавные буквы обозначают основания, которые встречаются чаще 54 % случаев, а строчные - менее этой величины. Таким образом среднестатистическая последовательность ящика Прибнова представлена в основном парами А-Т, что связано с расплетением (плавлением)ДНК, поскольку в таких парах присутствует двойная водородная связь, тогда как в Г-Ц –парах – тройная, и направление матричного синтеза непременно пройдет в сторону более слабой связи. Следовательно, ящик Прибнова ориентирует направление синтеза в направлении 5^/-3^/. Центр блока Прибнова расположен примерно на расстоянии 10 п.н. от стартовой точки против хода транскрипции. На расстоянии 35 пар нуклеотидов (п.н.) расположен участок «-35». Это область узнавания. Пока не известны детали реакции узнавания, но типичный просмотр использует положение -35 и -10 для взаимодействия с РНК-полимеразой.

     Как только будет инициирована транскрипция (сборка первых шести нуклеотидов), так сразу же диссоциирует σ - фактор, а вместо него присоединяется p– фактор, который нужен только для того, чтобы сбросить готовую РНК и ДНК. В процессе элонгации участвует еще и продукт гена  nus A. Он специфичен и предназначен для указания терминатора.

     Во  главе транскрибируемого оперона стоит ген оператор. Если белок-репрессор, имеющий две –спирали, укладывается между витками ДНК, то РНК-полимераза на способна преодолеть этот барьер и транскрипция,  и синтез белка мгновенно останавливается. Устраняется обе альфа- спирали с помощью индукторов различной природы.

     За  геном-оператором следует спейсерный участок (20000 п.н.). Это нетранскибируемый  участок, за которым уже располагаются  структурные гены.

     Явление терминации протекает следующим  образом. Как только РНК-полимераза в комплексе с белком nus A достигает терминатора (палиндрома или шпильки), так сразу же продукт гена nus A узнает его, а отстающий на некоторое расстояние р-фактор, сбрасывает готовый продукт (РНК) с цепи ДНК.

     В 1960 году С.М. Гершензон предсказал присутствие фермента обратной транскрипции, однако, спустя десять лет американский ученый Г. Темин вернулся к этому вопросу и подробно изучил явление обратной транскрипции на вирусах Рауса. Вирусы Рауса – это онкогенные, РНК – содержащие вирусы. Попадая в клетку реципиента, они синтезируют по правилу комплементарности азотистых оснований ДНК, которая, в свою очередь, навязывает информацию ДНК реципиента, и тем самым подавляет ее. При этом развивается опухолевая ткань. Замечено, что обратная транскрипция идет с помощью ревертазы (обратной транскриптазы), которую и предсказал С.М. Гершензон (Украина). Сегодня основная догма молекулярной генетики записывается так:

     ДНК <=> РНК à БЕЛОК

     На передачу информации с белка на кислоты природа наложила строгий запрет.

      2.3.Трансляция 

     У эукариот все гены локализованы в  хромосомах. Совокупность всех генов  организма называется геномом. Поскольку  молекулярную основу генома составляет ДНК, его главные параметры, размер и объемы генетической информации, можно выразить через количество ДНК и общую протяженность ее молекулы. У простейших существует прямая корреляция между объемом информации и содержанием ДНК, где число структурных цистронов пропорционально длине молекулы ДНК. У эукариот такой зависимости нет. Так, в геноме мухи-дрозофилы генов в три-четыре раза больше, чем у кишечной палочки, тогда как количество ДНК – в 40 раз. Получается своеобразный избыток ДНК, что связано с большим числом регуляторных генов у эукариот. Каждому структурному цистрону, кодирующему определенный белок, сопутствует обширная нетранскрибируемая (спейсерная) зона, которая участвует в регуляторных процессах. Такие зоны имеются в геноме в виде кластированных блоков.

     Гены  – это сложные делимые молекулярно-биологические структуры и их количество, например у человека, достигает величины 10 ⁷ , кишечной палочки 10 ³ . Каждый признак определяется геном, но иногда он может контролировать несколько признаков (плейотропия), но когда ряд генов работает на один признак, то это называется полимерией.

     Переходя  к рассмотрению процесса трансляции, следует отметить, что с каждого  гена снимается информация на и-РНК, которая переносит ее к рибосомам, фабрикам белкового синтеза и его регуляции. Таким образом, генная информация передается на конвейер для сборки полипептида. Здесь, как и в любом матричном синтезе, различают три периода: инициации, элонгации и терминации.

     При инициации наблюдается явление, предшествующее образованию полипептида  за счет пептидных  связей между двумя первыми аминокислотами белка. Для этого необходимо, чтобы рибосома связалась с информационной РНК с образованием инициирующего комплекса с первой аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Это довольно продолжительная стадия. Прежде необходимо рассмотреть строение рибосомы и ее функциональных участков. У рибосомы имеется малая и большая субчастицы. Информационная РНК своим концом примерно в 30 нуклеотидов соединяются с малой (30S) субчастицей.

     Малая субчастица рибосомы садится на и-РНК таким образом, что инициирующий кодон располагается в участке Р. Затем должна присоединиться 50S субчастица и образуется полная рибосома. На первой стадии инициации участвует фактор IF 3. Вторая стадия связана с fMet-тРНКf и Р-участком. Здесь участвует инициирующий фактор  IF 2. Что касается IF I, то его роль пока не установлена. Видимо, он стабилизирует инициирующий комплекс. Свободные 70S-рибосомы находятся в равновесии с 30S S и 50S субчастицами. Если IF3 связан с 30S субчастицей, то последняя способна существовать автономно. Чтобы ей соединиться с большой субчастицей рибосомы, необходимо потерять фактор IF3 . Когда инициирующий комплекс сформируется, фактор IF3 покидает малую субчастицу и только тогда она воссоединяется с большой субчастицей.

     В процессе элонгации при образовании полной рибосомы, аминоацил-тРНК попадает в А-участок рибосомы. Для образования пептидной связи иниициаторная тРНК, находящаяся в участке Р, выступает в качестве аналога пептидил-тРНК, то есть она (аминокислота) переходит в участок , а аа-тРНК превращается в пептидил-тРНК. Теперь уже две аминокислоты, соединенные пептидной связью, вновь переходят в участок Р, из которого вытесняется инициирующая тРНК.

     Терминация - это узнавание терминирующего кодона. Известно, что только 61 триплет кодирует аминокислоты, а остальные три являются  терминирующими. Как только в рибосому входит один из них, синтез полипептида прекращается.

     В заключение следует указать на четыре этапа биосинтеза белка. Первый этап – активирование аминокислот  с помощью АТФ. Второй - присоединение к тРНК через аминоацилсинтетазу и перенос продукта к рибосоме, третий – сам синтез полипептида. Четвертый – переход первичной структуры белка во вторичную и третичную. 

      2.4. Регуляция генной активности Ф. Жакоб и Ж. Моно. 

     В процессе роста и развития организмы синтезируют нужные белки в необходимом количестве. Каждая соматическая клетка из миллионов других, представленных в тканях, несет одну и ту же программу синтеза белков. Однако различные клетки отличаются по этому показателю, да и в пределах одного вида клеток синтез протекает в разное время по-разному. Вот почему необходим четкий механизм регуляции синтеза.

     Клетки  организмов синтезируют не все белки, которые потенциально способны производить. Для того, чтобы в клетке начался синтез, в нее из окружающей среды должен проникнуть индуктор. Синтез же белка может быть остановлен, что осуществляет репрессор, а это белок, находящейся под контролем регуляторных генов. Таким образом, все гены по своим функциям необходимы. Одни из них называются структурными, вторые – регуляторными. Первые определяют структуру белков, вторые – регулируют этот процесс.

     Гены в опероне могут быть активными все, или бездействуют. Это регулируется системой, которую в 1961 году создали Ф.Жакоб и Ж. Моно.

     До  тех пор, пока конечный продукт производится в достаточном количестве, репрессор находится в неактивном состоянии, ген-оператор не репрессирован и соединен с опероном. В этом случае структурные гены работают. Как только продукт накапливается в количествах больших, чем это необходимо клетке, он вступает в реакцию с репрессором, активизируется с геном-оператором, репрессируя его.

     Последний отключает работу оперона и продукт больше не производится. Происходит это путем индукции. В качестве индуктора выступает вещество извне, которое перерабатывается с помощью данного фермента. Молекулы этого вещества соединяются с репрессором, освобождая ген-оператор, и работа структурных генов возобновляется. Такой механизм генной активности хорошо изучен у бактерии, расщепляющей молочный сахар (лактозу) с помощью фермента галактозидазы.

     Аналогичным образом работает система регуляции  у эукариот. Ген устойчивости пшеницы  к бурой листовой ржавчине – это  регуляторный ген. Если он имеется, то белки-репрессоры могут образовываться в нужный момент, то есть когда не работают структурные гены, ответственные за производство антитоксинов убивающих гриба, например, возбудителя листовой ржавчины. Однако при появлении спор и их прорастании метаболиты гриба (токсины) выступают в роли индуктора, который накапливается и снимает активность у репрессора. Последний отключает репрессию гена-оператора, структурные гены контролируют производство антитоксинов гриба и последний погибает под их воздействием.

     Таким образом, механизм регуляции синтеза белка представляет собой саморегулирующуюся систему. За разработку такой системы Ф. Жакоб и Ж. Моно были удостоены Нобелевской премии.

      Заключение 

     За неполных 100 лет после вторичного открытия законов Г. Менделя генетика прошла триумфальный путь от натурфилософского понимания законов наследственности и изменчивости через экспериментальное накопление фактов формальной генетики к молекулярно-биологическому пониманию сущности гена, его структуры и функции. От теоретических построений о гене как абстрактной единице наследственности — к пониманию его материальной природы как фрагмента молекулы ДНК, кодирующего аминокислотную структуру белка, до клонирования индивидуальных генов, создания подробных генетических карт человека, животных, идентификации генов, мутации которых сопряжены с тяжелыми наследственными недугами, разработки методов биотехнологии и генной инженерии, позволяющих направленно получать организмы с заданными наследственными признаками, а также проводить направленную коррекцию мутантных генов человека, т.е. генотерапию наследственных заболеваний.

     Молекулярная  генетика значительно углубила наши представления о сущности жизни, эволюции живой природы, структурно-функциональных механизмов регуляции индивидуального  развития. Благодаря ее успехам начато решение глобальных проблем человечества, связанных с охраной его генофонда.

     Середина  и вторая половина XX столетия ознаменовались значительным уменьшением частоты  и даже полной ликвидацией ряда инфекционных заболеваний, снижением младенческой смертности. В развитых странах мира центр внимания служб здравоохранения был перемещен на борьбу с хронической патологией человека, болезнями сердечно-сосудистой системы, онкологическими заболеваниями.