Реализация генетической информации

Сама по себе генетическая информация инертна. Ее реализация в основные компоненты клеточной структуры требует строительных материалов и притока энергии. Ни того, ни другого молекула ДНК не содержит. Все это поступает в клетку из окружающей среды и с помощью белков подвергается соответствующим превращениям. В клетке можно выделить три основных потока информации, которые лежат в основе жизнедеятельности. Эти потоки относительно независимы и вместе с тем взаимосвязаны.

Первый поток – передача генетической информации по наследству с помощью механизма репликации ДНК.

Второй поток – выражение генетической информации, закодированной в геноме.

Третий поток – непрерывное поступление в клетку из окружающей среды питательных веществ, являющихся источником строительных материалов и энергии.

Чем сложнее организм, тем большее количество генов входит в состав его генома. Работа большого набора генов, реализация содержащейся в них информации требует определенной согласованности. Обладая информацией, необходимой для синтеза большого количества белков, клетка сама «решает», когда и в каком количестве эта информация должна быть реализована. Такое свойство позволяет ей легко приспосабливаться к изменяющимся условиям среды.

Реализация генетической информации, закодированной в ДНК, сводится в конечном итоге к синтезу белка. Теория генетического контроля синтеза белка разработана Ж. Жакобом и Ж. Моно (1961). Ими была предложена модель оперона. Авторы исходили из следующих представлений. Молекулярное строение ферментов определяется структурными генами. Роль посредника, передающего информацию о структуре белка от соответствующего гена к рибосомам, выполняет матричная РНК, являющаяся копией данного гена. Кроме структурных генов в составе хромосомы имеются гены-операторы и гены-регуляторы, которые управляют считыванием информации со структурных генов. Ген-регулятор функционально и генетически независим от структурных генов и оператора и расположен на хромосоме далеко от структурных генов, проявлением которых он управляет. Оператор непосредственно примыкает к генам, выражением которых он управляет и которые тесно связаны друг с другом. Группа структурных генов и оператор образуют функциональную генетическую единицу – оперон. В его состав входят структурные гены ферментов, которые участвуют в цикле связанных между собой биохимических реакций. Например, ферменты биосинтеза триптофана контролируются генами, которые входят в состав триптофанового оперона, а ферменты, участвующие в превращении галактозы, контролируются генами галактозного оперона. Оператор управляет одновременно всей группой структурных генов, которые ее образуют, то есть всем опероном. Иначе говоря, оперон функционирует как самостоятельная единица.

Многократные поиски оперонов в эукариотических хромосомах до сих пор не увенчались успехом. Вероятно, регуляция выражения генома у этих организмов происходит в основном не на уровне инициации транскрипции, а на последующих уровнях. В клетках эукариотов транскрибируются значительно большие участки ДНК длиной несколько десятков тысяч пар нуклеотидов. Затем первичные транскрипты подвергаются сложному процессингу (созреванию), во время которого из РНК, комплементарной определенному фрагменту хромосомы, специфически вырезаются участки, кодирующие необходимый белок.

Ген-регулятор контролирует синтез неактивного белка – репрессора, который называют апорепрессором. Подавление транскрипции оперона достигается тем, что «избыточные» молекулы конечного продукта данной цепи реакции (например, триптофана) связываются с ранее неактивным регуляторным белком – апорепрессором – и придают ему способность связываться с оператором данного оперона, то есть превращают апорепрессор в активный репрессор. Благодаря связыванию с оператором репрессор препятствует продвижению РНК-полимеразы из точки ее прикрепления к ДНК (промотору) на область структурных генов оперона. В результате образование ферментов триптофанового оперона прекращается. Белок-репрессор инактивируется субстратом, теряет способность связываться с оператором и покидает его. Синтез фермента становится возможным.

Таким образом, сложная структура хромосомы не является просто пассивным хранителем генетической информации, накопленной в процессе эволюции. Хромосома несет в себе все элементы, позволяющие автоматически и в соответствии с условиями окружающей среды контролировать процессы реализации заключенной в ней информации.

Задачи

1. Начальный участок полипептидной цепи бактерии Е. сoli состоит из 9 аминокислот, расположенных в следующем порядке: метионин – глицин – аргинин – тирозин – глутамин – серин – лейцин – фенилаланин – глицин. Какова последовательность нуклеотидов на участке ДНК, кодирующем полипептидную цепь?

2. Участок гена, кодирующего белок, состоит из последовательно расположенных нуклеотидов ААЦГАЦТАТЦАЦТАТАЦЦААЦГАА. Определите состав и последовательность аминокислот в полипептидной цепи, закодированной в этом участке гена.

3. В результате мутации на участке гена, содержащем 6 триплетов: ААЦ-ТАТ-ГАЦ-АЦЦ-ГАА-ААА, произошло замещение в третьем триплете: вместо гуанина обнаружен цитозин. Напишите состав аминокислот в полипептиде до мутации и после нее.

4. Фрагмент одной из цепей ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: АААГАТЦАЦАТАТТТЦТГТТАЦТА. Напишите строение молекулы иРНК, образующейся в процессе транскрипции на этом участке молекулы ДНК.

5. Полипептид состоит из 14 аминокислот, расположенных в следующей последовательности: глутамин – глицин – аспарагиновая кислота – пролин – тирозин – валин – пролин – валин – гистидин – фенилаланин – аспарагин – аланин – серин – валин. Определите структуру участка иРНК, кодирующего данный полипептид.

6. Какие изменения произойдут в строении белка, если в фрагменте молекулы иРНК, имеющем состав АУАГУЦАУГУУАЦУГ, произойдет замена нуклеотида в положении 7 на цитозин, а в положении 2 – на аденин?

7. Образовавшийся участок молекулы иРНК имеет следующий состав кодонов: ГЦГ-АЦА-УУУ-УЦГ-ЦГУ-АГУ-АГА-АУУ. Определите, какие кодоны ДНК будут кодировать эту иРНК и в какой последовательности они будут располагаться.

8. Фрагмент цепи иРНК состоит из последовательно расположенных кодонов: ГУГ-УУГ-УУЦ-УГГ-УУУ-АУА-АУЦ-УГА-УАА. Какие аминокислоты должны принести тРНК к месту синтеза белка, закодированного в этом участке иРНК, и какие антикодоны должны иметь тРНК?

9. Напишите первичную структуру белка, который строится на молекуле мРНК, имеющей следующий состав нуклеотидов:

АУЦГУУЦУЦУАААУАГУГУАУЦУУ.

10. Фрагмент молекулы белка состоит из следующих 8 аминокислот: валин – лейцин – серин – тирозин – пролин – аланин– аспарагин – валин. Сколько т-РНК могли быть использованы клеткой для синтеза этого белка и почему?