Определение предмета молекулярная биология




НазваниеОпределение предмета молекулярная биология
страница3/11
Дата05.09.2012
Размер1.82 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
транскрипция - это синтез всех видов РНК по матрице ДНК, осуществляемый ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой.

У прокариот синтез всех видов РНК осуществляется одним и тем же ферментом.

У эукариот - 3 ядерные РНК-полимеразы, митохондриальные РНК-полимеразы, хлоропластные РНК-полимеразы.

Субстратами для РНК-полимераз служат рибонуклеозид-трифосфаты (активированные нуклеотиды). Весь процесс транскрипции осуществляется за счет энергии акроэргических связей актвированных нуклеотидов.


Принципы транскрипции:

1. Комплементарность.

2. Антипараллельность.

3. Униполярность.

4. Беззатравочность.

5. Асимметричность.

РНК синтезируется комплементарно и антипараллельно транскрибируемой цепи ДНК. Рост цепи РНК идет только в направлении 5'3'. Для начала синтеза РНК фермент не нуждается в поли- или олигонуклеотидной затравке.

Первый нуклеотид в РНК всегда пурин в форме трифосфата.


Субъединичный состав РНК-полимеразы Е.coli

РНК-полимераза Е.coli - белок с четвертичной структурой. Одновременно в клетке присутствует около 7000 молекул РНК-полимеразы.

Субъединичный состав фермента: (2α)ββσ - holo-фермент (полный фермент). Без σ-фактора это core-фермент (2α)ββσ.


σ (сигма) - фактор - сменный фактор специфичности.


Только holo-фермент обладает высоким сродством к специфической последовательности нуклеотидов - промотору, сродство к остальным случайным последовательностям ДНК у него снижено в 10000 раз. У core-фермента одинаковое сродство к любой последовательности нуклеотидов.

Сам по себе - фактор обладает наименьшим сродством к ДНК по сравнению с другими субьединицами РНК-полимеразы, однако он придает holo-ферменту такую конформацию, которая обладает повышенным сродством к промотору.

Как только произошла инициация транскрипции, σ -фактор отделяется. Элонгация - продолжение синтеза РНК, и терминация - его остановка, осуществляются core-ферментом.

Стадии узнавания и связывания, а также инициации осуществляются holo-ферментом. Элонгация и терминация осуществляются core-ферментом.

Две α субъединицы - каркас РНК-полимеразы. К ним крепятся остальные субъединицы.

β- субъединица отвечает за прочное связывание с ДНК за счет кластера положительно заряженных аминокислот.

В β- субъединице находятся два каталитических центра. Один отвечает за инициацию, а другой - за элонгацию. Один центр работает в holo-, а другой - в core- ферменте.

Особенности структуры промотора

Для изучения структуры промоторов провели следующий эксперимент. При оптимальных условиях связывания получили комплекс РНК-полимеразы с ДНК. Этот комплекс обработали ДНК-азой, и таким образом гидролизовали всю ДНК, незащищенную РНК-полимеразой. После этого отделили РНК-полимеразу от оставшихся фрагментов ДНК. Опять создали оптимальные условия для образования комплекса. Комплекс не образовывался.


Отсюда следует вывод, что
узнавание и прочное связывание происходит на разных участках ДНК.

Эти участки отличаются и по первичной, и по вторичной структуре. Путем секвенирования выявили структуру многих промоторов. У большинства из них имеется общее свойство.




РНК-полимераза узнает промотор, покрывая 40-60 пар нуклеотидов. В промоторе узнается взаимное расположение двух расплавленных AT-богатых участков. В каждом из них расплавлено 4-6 пар. Центры этих участков находятся в положенях "-10" и "-35". Принципиально важным является расстояние между расплавленными участками. Оно колеблется от 16 до 19 п.н. Искусственное увеличение этого расстояния до 20 п.н. или уменьшение его до 15 п.н. приводит к тому, что РНК-полимераза не узнает испорченный промотор.

Этапы транскрипции

1. Узнавание и прочное связывание

Как только произошло узнавание (позиция 1), РНК-полимераза перемещается в позицию 2. В каталитическом центре инициации транскрипции, находящемся в β-субъединице, оказывается +1-ый нуклеотид оперона. Переход из позиции 1 в позицию 2 возможен, если на операторе нет белка-репрессора.


Примерно 5% промоторов у прокариот имеют только участок "-10", однако, тем не менее, хорошо узнаются РНК-полимеразой. Такие промоторы представлены палиндромными последовательностями, принимающими форму креста при суперспирализации кольцевых молекул ДНК.

Определение: палиндромы - последовательности, которые читаются одинаково слева направо и справа налево.

Палиндромы первого порядка имеют одну ось симметрии, второго - две, третьего - три.


2. Инициация заключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между пурин-трифосфатом (АТФ или ГТФ) и следующим нуклеотидом. После инициации - фактор покидает фермент.

3. Элонгация - последовательное наращивание цепи РНК (или продолжение транскрипции).

Скорость элонгации 40-50 нукл./сек.

Для комплементарного синтеза РНК необходим разрыв водородных связей в ДНК. Core-фермент РНК- полимеразы покрывает примерно 40 пар нуклеотидов (4 витка спирали ДНК). Разрыв водородных связей на 4-х витках спирали - очень энергоемкий процесс. Он не был обнаружен при изучении транскрипции.

Показано, что РНК-полимераза переводит ДНК из В-формы в А-форму. В ней плоскости азотистых оснований не перпендикулярны оси спирали, а наклонены на 200 к перпендикуляру. Это облегчает "выворачивание" двух соседних азотистых оснований в цепи ДНК для того, чтобы напротив них встали комплементарные нуклеотиды РНК. В пользу этого говорит полная идентичность параметров А-формы ДНК и гибрида, состоящего из одной цепи ДНК и одной - РНК. "Мотором" транскрипции является энергия, высвобождающаяся при отщеплении пирофосфата от каждого рибо-НТФ.

Ингибиторы транскрипции прокариот.

Существует множество ингибиторов транскрипции. Они действуют по разным механизмам и на разных стадиях. Большинство из них - антибиотики.

Рифампицин - ингибитор инициации.
Связывается
с центром инициации holo-РНК-полимеразы E. сoli.

Стрептолидигин - ингибитор элонгации.
Связывается
с центром элонгации core-РНК-полимеразы E. сoli.


4. Терминация.

Специфическая терминация бывает ρ независимой и ρ - зависимой.

При ρ- независимой терминации в терминаторе присутствует палиндром. В синтезируемой РНК формируется шпилька. Шпилька меняет конформацию РНК-полимеразы и фермент теряет сродство к ДНК.

ρ -зависимая терминация.

ρ - фактор - это имеющий четвертичную структуру белок, обладающий АТФ-азной активностью.
Он
способен узнавать 5`-конец синтезируемой РНК длиной приблизительно 50 нуклеотидов, садиться на него и двигаться по РНК с такой же скоростью, с которой РНК-полимераза движется по ДНК.

В терминаторе много Г-Ц пар тремя водородными связями), вследствие чего РНК-полимераза замедляет ход, ρ - фактор ее догоняет, изменяет конформацию фермента - и синтез РНК прекращается.


Схема негативной индукции Жакоба и Моно

Lac-оперон E. coli содержит 3 гена, отвечающие за образование белков, участвующих в переносе в клетку дисахарида лактозы и в ее расщеплении.

Z - β - галактозидаза (расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу).

Y- β - галактозидпермеаза (переносит лактозу через мембрану клетки).

А - тиогалактозидтрансацетилаза (ацетилирует галактозу).

В отсутствие в клетке лактозы lac- оперон выключен. Активный белок - репрессор, кодируемый в моноцистронном опероне (LacI) , не имеющем оператора, связан с оператором lac-оперона. Поскольку оператор перекрывается с промотором, даже посадка РНК-полимеразы на промотор невозможна.


Как только некоторое количество лактозы попадает в клетку, две молекулы субстрата (лактозы) взаимодействуют с белком - репрессором, изменяют его конформацию - и он теряеет сродство к оператору.
Тут
же начинается транскрипция lac-оперона и трансляция образующейся mРНК; три синтезируемых белка участвуют в утилизации лактозы.

Когда вся лактоза переработана, очередная порция репрессора, свободного от лактозы, выключает lac-оперон.

Эта схема называется так потому, что контролирующим транскрипцию фактором является негативный фактор, "выключатель" - белок - репрессор. Индукция (включение) происходит при потере сродства белка - репрессора к оператору.

Существует и позитивная регуляция работы lac-оперона E. coli.

Схема позитивной индукции

Аra-оперон E. сoli.

В нем 3 цистрона, которые кодируют ферменты, расщепляющие сахар арабинозу. В норме оперон закрыт. Белок - репрессор связан с оператором.


Когда в клетку попадает арабиноза, она взаимодействует с белком - репрессором. Белок - репрессор меняет конформацию и превращается из репрессора в активатор, взаимодейсивующий с промотором и облегчающий посадку РНК-полимеразы на промотор.

Эта схема регуляции называется позитивной индукцией, поскольку контролирующий элемент - белок - активатор "включает" работу оперона.

Схема позитивной репрессии

Оперон синтеза рибофлавина у Вacilus subtilis.

В опероне располагаются цистроны ферментов синтеза рибофлавина. Есть белок-активатор, обеспечивающий посадку РНК-полимеразы на промотор. В норме оперон открыт. Образуется N молекул рибофлавина.


N+1-ая молекула (лишняя) взаимодействует с активатором и он теряет способность активировать посадку РНК-полимеразы на промотор.

Позитивная репрессия, поскольку в регуляции участвует белок - активатор, а сама регуляция заключается в выключении транскрипции.

Схема негативной репрессии

Оперон синтеза триптофана у E. сoli.

В опероне имеется 5 цистронов, которые кодируют ферменты последовательной цепи реакций синтеза триптофана. В норме оперон включен. Белок - репрессор неактивен (в форме апо-репрессора), он не способен садиться на оператор.


Клетке нужно N молекул триптофана. N+1-ая молекула взаимодействует с апо-репрессором. Он меняет конформацию, садится на оператор и синтез РНК прекращается.


Схема регуляции - негативная репрессия, потому что белок репрессор "выключает" оперон.


Помимо "грубой схемы" включения - выключения, есть и тонкая регуляция синтеза триптофана - аттенуация( см. лекцию N 9).

Позитивный контроль работы lac-оперона

Lac-оперон, подчиняющийся схеме негативной индукции, имеет и позитивный контроль.

цАМФ образуется из АТФ ферментом аденилатциклазой.
Фосфодиэстераза превращает цАМФ в АМФ.
Глюкоза
активирует второй и инактивирует первый фермент.

Чем больше в клетке глюкозы, тем меньше цАМФ.


Если нет глюкозы, то цАМФ соединяется с белком катаболической репрессии (САР) и образуется комплекс САР·цАМФ, активирующий посадку РНК-полимеразы на промотор. В присутствии лактозы lac-оперон включается и работает.

Если же в клетке есть еще и глюкоза (более экономичный источнок энергии), то нет цАМФ - и активатор не образуется, lac-оперон работает "вяло", без дополнительной индукции.

Синтез белка в клетке состоит из двух этапов: рекогниции и собственно синтеза полипептида на рибосоме. Ключевым субстратом рекогниции является транспортная РНК.

Структура транспортной РНК

Транспортные РНК (tРНК) - короткие молекулы (70-90 нукл.), имеющие и вторичную, и третичную структуру.

Вторичная структура - "клеверный лист". Последовательность CCA на 3'-конце одинакова для всех tРНК. К концевому аденозину (А) присоединяется аминокислота.

Наличие в tРНК тимина (T), псевдоуридина(Ψ ) (в T Ψ C- петле ), и дигидроуридина (ДГУ) (в D-петле) - минорных, т.е. редко встречающихся в РНК нуклеотидов, указывает на особенности ее строения, необходимые для безошибочного узнавания ферментами, для защиты от действия рибонуклеаз (поэтому tРНК - долгоживущие, в отличие от mРНК).


Третичная структура в проекции на плоскость имеет форму бумеранга.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Похожие:

Определение предмета молекулярная биология iconМетодические указания к самостоятельной работе студентов По дисциплине: Молекулярная биология для специальностей 020201. 65 «Биология»
Методические указания предназначены для студентов биологического факультета очной формы обучения для изучения дисциплины «Молекулярная...
Определение предмета молекулярная биология iconП о биологии рассчитана на учащихся 10-11 классов
Биологические знания становятся с каждым годом более востребованными в нашем обществе. Открытия последних лет, совершенные в таких...
Определение предмета молекулярная биология iconПрограмма итогового государственного экзамена по специальности 010700/06 18 "Молекулярная биофизика"
Структурная организация биологических макромолекул. Курсы лекций: Биохимия. Молекулярная биология.(Воробьев), Молекулярная биофизика....
Определение предмета молекулярная биология iconКарманный формат для биологов в издательстве «Дрофа» вышел в свет очередной словарь терминов по биологическим наукам – «Биохимия и молекулярная биология»
Коничев А. С. Биохимия и молекулярная биология: словарь терминов / А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова. – М.: Дрофа, 2008. – 359, [9...
Определение предмета молекулярная биология iconРабочая программа по курсу «биохимия и молекулярная биология»
Требования Государственного стандарта высшего обрвзования по специальности «Биология»
Определение предмета молекулярная биология iconПояснительная записка рабочая программа учебного предмета «Биология»
«Биология» для 9 -го класса. Рабочая программа составлена на основе примерной программы основного общего образования по биологии...
Определение предмета молекулярная биология iconРешение генетических задач
Ы «Генетика» и «Молекулярная биология» являются одними из самых сложных для понимания в школьном курсе общая биология. Облегчению...
Определение предмета молекулярная биология iconРешение генетических задач в старших классах
Ы: «Генетика» «Молекулярная биология» являются одними из самых сложных для понимания в школьном курсе общая биология. Облегчению...
Определение предмета молекулярная биология iconРешение генетических задач в старших классах
Ы: «Генетика» «Молекулярная биология» являются одними из самых сложных для понимания в школьном курсе общая биология. Облегчению...
Определение предмета молекулярная биология iconЛитература для подготовки к олимпиаде
Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж и др. Молекулярная биология клетки. Т. 1 М.: Мир, 1994
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница