Экспрессия генов и клеточная дифференцировка
Клетки многоклеточного организма выполняют разные функции благодаря дифференциальной экспрессии генов. На разных этапах онтогенеза и в разных частях зародыша в работу включаются строго определенные участки ДНК.
Цепочка реализации выглядит так: активация структурного гена приводит к синтезу специфической мРНК, на базе которой собирается уникальный белок. Именно этот белок определяет специализацию клетки и формирование конкретного признака. Клетка жестко контролирует этот процесс на нескольких уровнях: во время транскрипции (выбирая, что считывать), на этапе трансляции и в ходе посттрансляционных модификаций.
Транскрипция и созревание РНК
Транскрипция — это переписывание генетического кода с ДНК на РНК. Процесс обеспечивают ферменты РНК-полимеразы. У эукариот их три типа, каждый отвечает за свой вид РНК (например, полимераза I синтезирует рРНК, II — иРНК, III — тРНК).
Синтез проходит три стадии:
- Инициация — связывание фермента со стартовой площадкой (промотором).
- Элонгация — последовательное наращивание цепи РНК.
- Терминация — остановка сборки на специальном участке (терминаторе).
У эукариот образовавшаяся пре-мРНК не готова к работе и проходит процессинг (созревание):
- Кэпирование: на 5'-конец садится 7-метилгуанозин для защиты молекулы и запуска будущей сборки белка.
- Полиаденилирование: к 3'-концу крепится поли-А «хвост», придающий молекуле стабильность.
- Сплайсинг: ферменты вырезают пустые участки (интроны) и сшивают значащие (экзоны).
Трансляция: от нуклеотидов к аминокислотам
Трансляция протекает в цитоплазме. Здесь последовательность нуклеотидов иРНК переводится в последовательность аминокислот. Для работы требуются зрелая иРНК, малая и большая субъединицы рибосомы, транспортные РНК (несущие аминокислоту и антикодон), ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, а также энергия АТФ и ГТФ.
Этапы трансляции:
- Инициация: рибосома собирается на стартовом кодоне АУГ.
- Элонгация: цикличное присоединение новых аминокислот с образованием пептидных связей.
- Терминация: в А-сайт рибосомы попадает один из стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА), после чего готовый полипептид отсоединяется, а комплекс распадается.
Особенности репродукции вирусов
Вирусы синтезируют свои компоненты дизъюнктивным (разобщенным) путем — нуклеиновые кислоты и белки штампуются в разных структурах клетки. Стратегия зависит от типа генома:
- ДНК-содержащие: классический путь от ДНК к иРНК и белку. Транскрипция и репликация идут в ядре, а дочерние ДНК выходят в цитоплазму почкованием. Исключение — вирус оспы, чья транскрипция идет в цитоплазме за счет собственной полимеразы.
- Плюс-РНК-содержащие: их РНК сразу работает как готовая иРНК. Трансляция дает длинный полипептид, который нарезается протеазами на нужные белки.
- Минус-РНК-содержащие: сначала с помощью вирионной полимеразы-транскриптазы строятся короткие и полные плюс-РНК, и только с них считывается белок или копируется геном.
- Ретровирусы: используют фермент ревертазу для обратной транскрипции (РНК → ДНК). Полученная ДНК встраивается в геном клетки, после чего клеточная РНК-полимераза сама синтезирует вирусные иРНК.
Три стадии биосинтеза легко запомнить по аббревиатуре ИЭТ: Инициация (старт), Элонгация (удлинение), Терминация (финиш). Эти названия абсолютно идентичны как для транскрипции, так и для трансляции.
Вопросы с занятий и экзамена
В чем главное отличие биосинтеза белка у прокариот и эукариот?
У прокариот транскрипция и трансляция идут одновременно в цитоплазме, а гены непрерывны. У эукариот процессы разделены пространственно (ядро и цитоплазма), гены имеют мозаичное строение (экзоны и интроны), поэтому требуется процессинг РНК.
Как действует гормон кальцитриол на генетическом уровне?
Связавшись с внутриклеточным рецептором, комплекс взаимодействует с хроматином и изменяет скорость трансляции. В результате в клетках-мишенях (энтероцитах) синтезируются белки, обеспечивающие всасывание кальция и фосфатов.
Что такое альтернативный сплайсинг?
Это процесс различного комбинирования и сшивания экзонов после вырезания интронов. Он позволяет организму синтезировать несколько разных специфических белков на основе информации всего с одного структурного гена.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы регуляции транскрипции: роль промоторов и терминаторов
- Посттрансляционная модификация белков (экспрессия)
- Работа аминоацил-тРНК-синтетаз и энергетический баланс трансляции
- Особенности репликации и транскрипции у ретровирусов (работа ревертазы)
- Механизмы почкования ДНК-вирусов через ядерную мембрану
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Биосинтез белка и генетический код» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 129 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Дополнительные темы»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.