Меню
Видеоучебник
Видеоучебник  /  Биология  /  10 класс  /  Общая биология 10 класс (ФГОС)  /  Регуляция транскрипции и трансляции

Регуляция транскрипции и трансляции

Урок 25. Общая биология 10 класс (ФГОС)

Из данного видеоурока ваши ученики узнают о том, как происходит транскрипция. Познакомятся со строением оперона — функциональной единицы транскрипции у прокариот. А также со строением транскриптона — функциональной единицы транскрипции у эукариот.
Плеер: YouTube Вконтакте

Конспект урока "Регуляция транскрипции и трансляции"

На прошлом уроке мы говорили, что перенос генетической информации с ДНК на информационную (матричную) РНК, называется транскрипцией.

А перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка, называется трансляцией.

В организме благодаря белкам все процессы скоординированы. Для выполнения своих определённых функций клетки той или иной ткани должны иметь определённый набор белков.

Например, в клетках листа находятся белки, которые необходимы для обеспечения процессов фотосинтеза.

В клетках слюнных желёз – фермент амилаза, который расщепляет крахмал. 

В клетках поджелудочной железы человека вырабатывается белковый гормон инсулин. В эритроцитах образуется гемоглобин, сложный железосодержащий белок животных, способный связываться с кислородом и обеспечивать его перенос в ткани.

Почему же клетки, содержащие в своём ядре одинаковую генетическую информацию, производят различные белки?

Дело в том, что в разных клетках транскрибируются разные участки ДНК, то есть образуются разные и-РНК, по которым синтезируются разные белки.

Итак, в каждой клетке реализуется не вся, а только часть генетической информации.

Синтез того или иного белка в клетке регулируется, то есть контролируется другими белками-ферментами.

Имеется ряд дополнительных структур зон или участков, которые включают и выключают гены на разных этапах жизни клетки.

К таким структурам относится множество разнообразных последовательностей ДНК.

В настоящее время большинство учёных приходит к мнению, что наименьшей функциональной областью в ДНК является совокупность, состоящая из регуляторных зон, регуляторных генов и кодирующего участка, который содержит несколько структурных генов.

Гены вместе с регуляторными элементами носят название оперон. Он является функциональной единицей транскрипции у прокариот.

Рассмотрим подробнее структуру оперона.

Оперон состоит из регуляторной зоны и кодирующего участка. В кодирующий участок входят структурные гены. Структурные гены несут информацию о структуре иРНК.

Не каждый оперон имеет несколько структурных генов, есть опероны, которые содержат лишь один ген.

Регуляторная зона — это участок ДНК, на котором синтеза РНК не происходит, но которые служит местом связывания различных белков.

Регуляторная зона состоит из регуляторных генов.

Перед структурными генами, в начале оперона, расположен промотор – это посадочная площадка для фермента РНК-полимеразы.

Благодаря промотору синтез иРНК начинается с нужного участка цепи ДНК.

С промотора РНК-полимераза расплетает двуспиральную ДНК и синтезирует по принципу комплементарности информационную РНК по матрице ДНК.

Напротив цитозина гуанин, против аденина урацил, а напротив тимина–аденин.

Между промотором и структурными генами в опероне располагается участок ДНК, который называется оператором.

Оператор — это последовательность ДНК, принимающая участие в регуляции активности генов. Он так называется потому, что именно с него начинается операция - синтез и-РНК.

С оператором взаимодействует специальный белок репрессор (подавитель).

Репрессор блокирует работу одного или нескольких генов (то есть перенос генетической информации) путём связывания с оператором.

Пока репрессор сидит на операторе, РНК-полимераза не может сдвинуться с места и начать синтез иРНК.

Французские учёные Франсуа Жакоб, Андре́ Львов и Жак Моно́ в 1961 г. опубликовали результаты своих исследований по регуляции белкового синтеза у бактерий.

За эту работу, признанную теперь классической, они были удостоены Нобелевской премии.

Известно, что пока в питательную среду, в которой живут бактерии, не добавлен сахар, в клетке не обнаруживается ферментов, необходимых для его расщепления.

Бактерия не тратит энергию АТФ на синтез белков, ненужных ей в данный момент.

Однако через несколько секунд после добавления сахара в клетке синтезируются все белки-ферменты, которые превращают сахар в продукт, необходимый для жизнедеятельности бактерии.

Вместо сахара может быть другое вещество, появление которого в клетке "включает" синтез ферментов, расщепляющих его до конечного продукта.

Посмотрим на процесс работы оперона при таком случае.

Механизм регуляции синтеза белка у прокариот

Итак, в бактериальную клетку проникло пищевое вещество, в данном случае это сахар. Для того что бы усвоить этот сахар бактерии необходимо расщепить его ферментом на более мелкие части.

Информация о данном ферменте закодирована в структурном гене оперона. Однако оператор этого оперона заблокирован репрессором и поэтому информационная РНК не синтезируется.

На следующем этапе одна из молекул вещества (в данном случае сахара), проникшего в клетку, связывается с молекулой репрессора. При этом репрессор отсоединяется от оперона. Как только он отсоединился РНК-полимераза тут же начинает синтез иРНК.

И начинает она синтез с сайта инициации стартового кодона кодирующей области. 

Это точка начала репликации, фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, с которого начинается её репликация.

Кодирующая область заканчивается участком, который называется терминатором.

Чаще всего в терминирующей области располагается один из бессмысленных кодонов (УАА, УАГ, УГА), не кодирующий ни одну аминокислоту. Обнаружив эту последовательность РНК-полимераза прекращает синтез РНК.

На информационной РНК рибосомы синтезируют белок.

Множество синтезированных белков проходят существенную модификацию - изменение.

Полипептидная цепь, первичный продукт трансляции, скручивается и складывается в специфическую трехмерную структуру, определяемую аминокислотной последовательностью цепи.

В результате чего образуется белковая глобула – фермент, который обладает уникальными свойствами.

Фермент начнёт работать и разрушать молекулу вещества. Когда все молекулы вещества будут разрушены, репрессор снова связывается с оператором. Транскрипция и трансляция прекращаются. Выполнив свои функции иРНК распадается до нуклеотидов, а ферменты до аминокислот.

У эукариот механизмы синтеза белка намного сложнее чем у прокариот.

Рассмотрим механизм регуляции синтеза белка у эукариот

В общих чертах строение гена про- и эукариот в принципе одинаково.

Ген эукариот так же, как и у прокариот функционирует только совместно с регуляторными зонами. Однако их совместное действие не называют опероном.

Единицей транскрипции у эукариот является транскриптон, фрагмент молекулы ДНК, состоящий из промотора, транскрибируемой части и терминатора.

Ген эукариот представляет собой в основном кодирующую часть ДНК, а регуляторные зоны – не кодирующую ДНК.

Кодирующая часть гена эукариот имеет несколько существенных отличий от аналогичной области прокариот. Отметим два из них.

Первое отличие. Кодирующая область гена эукариот представлена не несколькими генами, а одним.

Второе отличие. Если в генах прокариот не кодирующие участки практически отсутствуют, то ген эукариот имеет мозаичное строение – в нём чередуются участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке и не несущие её.

Особенность эукариотических генов — это прерывистость.

Участки гена, несущие информацию, носят название экзоны, не несущие называются интроны.

Синтез информационной РНК у эукариот происходит также при помощи фермента РНК-полимеразы.

Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5'- к 3'- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении от 3' к 5'.

Так во время транскрипции информация с интронов и экзонов переписывается на информационную РНК.

После синтеза информационной РНК происходит вырезание интронов, так как они не содержат нужной информации они не нужны. Этот процесс называется сплайсингом.

Сплайсингэто процесс вырезания определённых нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и последующее соединение экзонов. Так незрелая иРНК превращается в зрелую иРНК.

Она перемещается из ядра в цитоплазму клетки, где транслируется в аминокислотную последовательность закодированного полипептида.

Работа генов в любом организме — прокариотическом или эукариотическом — контролируется и координируется. В многоклеточном организме необходимо точно регулировать работу генов в клетках разных тканей. Это регуляция осуществляется при помощи гормонов.

Гормоны как вы знаете вырабатываются как в клетках желёз внутренней и смешанной секреции, так и в клетках многих других тканей.

Гормональная регуляция работы генов

Гормон связывается с рецептором, который находиться на клеточной мембране или внутри клетки. Так гормон подаёт сигнал клетке.

Благодаря сигналу клетка узнает какие белки требуются в настоящий момент.

Сигнал передаётся от одного белка другому благодаря присоединению фосфатной группы от АТФ. Последний белок проникает в ядро, так как транкрипция протекает только внутри ядра.

Здесь он активирует транскрипционный фактор, который ответственен за активацию синтеза информационной РНК.

Транскрипционный фактор — это комплекс белков, которые активируют РНК-полимеразу и помогают ей соединиться с промотором.

Дело в том, что в отличие от прокариот без транскрипционного фактора РНК-полимераза соединиться с промотором не может.

В результате присоединения РНК-полимеразы с факторами транскрипции, образуется комплекс, который называется комплексом транскрипции (или транскрипционным комплексом).

Когда формирование транскрипционного комплекса завершено, начинается процесс транскрипции и синтез информационной РНК.

Таким образом в результате взаимодействия рецептора с гормоном в клетке активируется или, наоборот, репрессируются (подавляются) те или иные гены, и синтез белков в данной клетке меняет свой характер.

Например, гормон надпочечников адреналин активирует распад гликогена до глюкозы в клетках мышц, благодаря чему клетки получают энергию.

Инсулин, выделяется поджелудочной железой, способствует образованию гликогена из глюкозы и запасанию его в клетках печени.

Разнообразие форм и функций клеток разных органов зависит от сложного взаимодействия различных генов между собой и с многочисленными веществами, попадающими в клетку извне или образующимися внутри неё.

Конечно, полностью понять механизм регуляции генов даже в относительно просто организованных живых существах мы пока не в силах. А если учесть, что организм человека состоит из более чем 200 млрд клеток и в каждой из них, по последним подсчётам исследователей, содержится до 120 тыс. генов, то становиться очевидными трудности, возникающие при изучении координации работы генов организма человека.  

0
11499

Комментарии 0

Чтобы добавить комментарий зарегистрируйтесь или на сайт