Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Свидетельство о публикации

Автоматическая выдача свидетельства о публикации в официальном СМИ сразу после добавления материала на сайт - Бесплатно

Добавить свой материал

За каждый опубликованный материал Вы получите бесплатное свидетельство о публикации от проекта «Инфоурок»

(Свидетельство о регистрации СМИ: Эл №ФС77-60625 от 20.01.2015)

Инфоурок / Другое / Другие методич. материалы / Методическая разработка по дисциплине "Ботаника и физиология растений"
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 28 июня.

Подать заявку на курс
  • Другое

Методическая разработка по дисциплине "Ботаника и физиология растений"

библиотека
материалов

Лекция № 9

Тема: Транскрипция РНК. Транскрипция прокариот и эукариот. Структура транскриптонов. Регуляция транскрипции у прокариот и эукариот

План:

  1. Транскрипция РНК у про- и эукариот.

  2. Структура транскриптонов.

  3. Этапы транскрипции

  4. Регуляция транскрипции у прокариот и эукариот.


Транскрипция РНК у про- и эукариот. Транскрипция - это синтез РНК на матрице ДНК. В результате образуются матричные РНК (м-РНК), в которых закодирована аминокислотная последовательность белков, транспортная РНК (т-РНК), рибосомальная РНК (р-РНК) и другие виды РНК

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

У эукариот различают 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 макроэргических связей актвированных нуклеотидов.

hello_html_6e0de8ca.png

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'hello_html_m2cff894b.png3'. Для начала синтеза РНК фермент не нуждается в поли- или олигонуклеотидной затравке.

Первый нуклеотид в РНК всегда пурин в форме трифосфата.




Синтез РНК на матрице ДНК включает стадии инициации, элонгации, терминации.

Синтез РНК осуществляется РНК-полимеразами.

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)ββ’σ - holo-фермент (полный фермент). Без σ-фактора это core-фермент (2α)ββ’σ.

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.

σ- фактор 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.

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.


2. Структура транскриптонов. Участок ДНК на котором происходит транскрипция включает участок промотора, оператора, структурные гены, терминатор, ген белка репрессора, регуляторные участки.

Процессу транскрипции подвергаются отдельные участки ДНК – транскриптоны. Они ограничены 2-мя нуклеотидными последовательностями – промоторами (начало транскрипции) и терминаторами (конец транскрипции).

Транскриптоны бактерий называются оперонами. Опероны включают в себя цистроны (или структурные гены), кодирующие структуру нескольких белков. Транскрибируемая м-РНК является полицистроновой и используется для синтеза нескольких белков.

У эукариот м-РНК содержит информацию только об одном белке. На интенсивность транскрипции влияет пространственная структура ДНК (изгибы, петли, сверхспирализация, возможность присоединения региональных белков). Регуляторные элементы связываются с нуклеотидной последовательностью как в транскриптонах, так и на удаленных участках энхасерах и адапторных элементах.

Структура промотора

Промоторы отличаются и по первичной, и по вторичной структуре. Путем секвенирования выявили структуру многих промоторов. В структурных генах E. сoli имеется 2 сайта связывания РНК-полимеразы.

1) ТАТААТ – ТАТА-бокс (бокс Прибнова) расположен за 10 нуклеотидных

АТАТТА осатков от сайта инициации транскрипции

2) ТТГАЦ – за 35 нуклеотидных осатков от сайта инициации транскрипции

ААЦТГ

.hello_html_38eb7c8b.png

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

После узнавания РНК полимеразой промотора, РНК-полимераза перемещается к оперону и в каталитическом центре инициации транскрипции, находящемся в -субъединице, оказывается +1-ый нуклеотид оперона, если на операторе нет белка-репрессора.


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

При транскрипции используется энергия, высвобождающаяся при отщеплении пирофосфата от каждого рибо-НТФ.

4. Терминация.

Специфическая терминация бывает - независимой и - зависимой. -зависимая терминация.

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

- 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 (с тремя водородными связями), вследствие чего РНК-полимераза замедляет ход, - фактор ее догоняет, изменяет конформацию фермента - и синтез РНК прекращается.

Транскрипция у эукариот

У эукариот процессы транскрипции и трансляции разобщены во времени и пространстве (транскрипция - в ядре, трансляция - в цитоплазме).

У эукариот существуют специализированные РНК-полимеразы.

В ядре выделяют 3 типа РНК-полимераз:

РНК-полимераза I - синтезирует rРНК (кроме 5S rРНК).

РНК-полимераза II - синтезирует mРНК и некоторые sРНК.

РНК-полимераза III - синтезирует tРНК, некоторые sРНК и 5SrРНК.

РНК-полимеразы различаются количеством субъединиц, их аминокислотным составом, и зависимостью от катионов магния и марганца. Для РНК-полимераз I и III необходимое для работы соотношение [Mn2+]/[Mg2+] = 2. Для РНК-полимеразы II - [Mn2+]/[Mg2+] = 5.

У эукариот есть РНК-полимеразы хлоропластов и митохондрий. Они кодируются в ядре. В органеллах образуются свои tРНК, rРНК и рибосомные белки.

Особенности транскрипции эукариот

Единицей транскрипции у эукариот является отдельный ген, а не оперон, как у прокариот. Оператор, как таковой, отсутствует.

Промотор организован иначе.

На расстоянии -25 п.н. от +1 нукл. находится ТАТА-бокс. Его позиция определяет точку инициации транскрипции. А на расстоянии -60-80 п.н. находится ЦААТ-бокс, который не является абсолютно необходимым, но присутствует перед большинством генов.

Расстояние между ЦААТ и ТАТА большое и РНК-полимераза не способна накрыть всю эту область.

ЦААТ опознается своим белком, а ТАТА - своим.


К эукариот есть несколько белков, называемых базальными факторами транскрипции.

Базальные факторы транскрипции - белки, необходимые для инициации транскрипции всеми тремя ядерными РНК-полимеразами. Это TF-факторы (TF-I, TF-II, TF-III). Особенностью белковых регуляторов является то, что они присоединяются в различных местах ДНК относительно точки инициации.

Влияние на трансляцию оказывает также энхасеры, сайленсоры и адапторные элементы (инициирующие синтез белков теплового шока)


3. Регуляция транскрипции у про- и эукариот.

В клетке инициируется транскрипция структурного гена, если возникает потребность в каком-либо белке. Когда потребность исчезает, транскрипция выключается.

Регуляция транскрипции прокариот. Нуклеотидная последовательность, в которой закодировано более одного белка, называется опероном (белки одного метаболитного пути). Происходит синтез м-РНК, кодирующей несколько белков. Оперон находится под контролем одного промотора

Между ТАТА-боксом и +1 (начало инициации) находится оператор (или активатор). Оператор может связываться с регуляторным белком: при этом преграждает перемещение РНК полимеразы по ДНК.

Но регуляторный белок может быть связан с веществом клетки – эффектором, при этом РНК-полимераза перемещается в центр инициации и осуществляется синтез м-РНК.

Эффекторы разрушаются ферментами клетки, - уменьшение концентрации эффектора, белок репрессор связывается с оператором, транскрипция прекращается.

Второй способ регуляции: репрессор (регуляторный белок) находятся в неактивном состоянии, т.е. не способен связываться с оператором. Если в среде появляется специфический эффектор (корепрессор), он изменяет конформацию репрессора таким образом, что он может связываться с оператором, следовательно, транскрипция включается.

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.

Регуляция транскрипции Lac -оперона E. Сoli.


Как только лактоза попадает в клетку, две молекулы субстрата (лактозы) взаимодействуют с белком - репрессором, изменяют его конформацию - и он теряет сродство к оператору. 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.

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.

Регуляция транскрипции у эукариот.

Набор структурных генов – генов «домашнего хозяйства» транскрибируется во всех клетках. Специфические гены транскрибируются и транслируются в определенных клетках (α и β субъединицы гемоглобина синтезируются только в клетках эритроцитов).

Регуляция транскрипции структурных генов важна для поддержания клеточной специфичности и экономичного расходования энергии.

Существует много процессов регуляции, но общим является то, что регуляция осуществляется с помощью специфических белков.

В отличие от прокариот у эукариот опероны отсутствуют и каждый структурный ген имеет свою регуляторную систему.

Промоторный участок эукариот содержит

ТАТА-бокс – БОКС Хогнесса – из нуклеотидов, включающий последовательность ТАТА

ЦАТ – бокс

ГЦ-бокс

Транскрипция начинается со связывания ТАТА-бокса

TF-II D – фактор транскрипции- состоит из 14 белков. TF-II D и участки ДНК прилегающие к ТАТА-боксу связываются с другими факторами транскрипции TF-II В, затем к этому комплексу присоединяется РНК-полимераза.

При участии дополнительных факторов запускается транскрипция.

Для любого гена, кодирующего белок, есть энхансеры (усилители).

Энхансеры - последовательности ДНК, усиливающие транскрипцию при взаимодействии со специфическими белками.

Энхансеры - это прерывные последовательности нуклеотидов. Существуют так называемые модули - это отдельные части энхансеров. Одинаковые модули могут встречаться в разных энхансерах. Для каждого энхансера набор модулей уникален. Модули - это короткие последовательности, не более 2-х витков спирали (20 п.н.), которые могут находиться перед, за и даже внутри гена.

Таким образом, М1+М2+М3+М4 - один энхансер, но он состоит из 4-х модулей. Все 4 модуля узнаются своими белками, а они, сидя на ДНК, взаимодействуют друг с другом. Если в клетке присутствуют все соответствующие белки, то участку ДНК придается определенная конформация и начинается синтез mРНК.

Сайленсеры - последовательности ДНК, ослабляющие транскрипцию при взаимодействии с белками.

При соответствующем наборе белков экспрессия отдельных генов в клетке может быть подавлена.

Идентифицированы факторы транскрипции для 2 других регуляторных элементов ГЦ и ЦЦААТ. Но механизм регуляции транскрипции недостаточно изучен. Т. о., структурный ген эукариот имеет множество регуляторных элементов, которые активизируются специфическими сигналами в клетках разного типа в разное время клеточного цикла.

Влияние хроматина на транскрипцию и репликацию.

Гистоны могут метилироваться, фосфорилироваться (по серину, треонину, тирозину), т.е. аминокислотные остатки легко модифицируются. Кроме того, возможно алкилирование и ацетилирование гистонов, фосфорилирование аминокислот. Модификации гистонов влияет на компактизацию ДНК- разрыхляет или уплотняет, следовательно меняется доступность факторов инициации и ферментов транскрипции и репликации к участкам ДНК, в которых находятся кодирующие последовательности.

5



Подайте заявку сейчас на любой интересующий Вас курс переподготовки, чтобы получить диплом со скидкой 50% уже осенью 2017 года.


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ

Автор
Дата добавления 24.02.2016
Раздел Другое
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров420
Номер материала ДВ-480325
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх