Особенности строения генов

У прокариотических и эукариотических клеток

Клетки в природе делятся на прокариотические и эукариотические. У прокариот ген имеет непрерывную структуру, т.е. представляет собой часть молекулы ДНК.

У эукариот ген состоит из чередующихся участков: экзонов и интронов. Экзон – информативный участок, интрон – неинформативный. Число интронов у разных генов неодинаково (от 1 до 50).

Разновидности генов

Наряду с приведенной ранее функциональной классификацией генов существуют и другие их разновидности : псевдогены, онкогены и мобильные гены.

Псевдогены (ложные гены) – нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, сходные по строению с известными генами, но утратившие функциональную активность.

Онкогены – нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, присутствующие в хромосомах нормальных клеток, способные активизироваться под влиянием факторов внешней среды и продуцировать белки, вызывающие рост опухолей.

Мобильные (прыгающие) гены – гены, не имеющие постоянной локализации не только в хромосоме, но и в пределах хромосомного набора клетки. Понятно, что перемещения генов влияют на их экспрессию – ранее не активные гены могут активизироваться, и наоборот. Некоторые ученые считают, что эти гены играют важную роль в эволюции. Видимо, возникновение таким путем отдельных видов (в результате переноса информации от вида к виду) действительно возможно.

В последние десятилетия в генетике появилось еще одно новое понятие – «семейство генов», или «мультигенное семейство». Это группа генов, имеющих сходное строение, общее происхождение и выполняющих сходные функции. Число генов в разных семействах может колебаться от нескольких единиц до нескольких тысяч.

У человека имеются семейства генов, кодирующие

· α- и b- глобиновые белки гемоглобина;

· иммуноглобулины;

· актины и миозины;

· белки, определяющие тканевую несовместимость;

· гистоновые белки.

Организация генов мультигенных семейств может быть разной. Так, семейства актиновых и миозиновых генов разбросаны по всему геному. Семейства генов, кодирующих a- и b- глобиновые белки, сосредоточены в одной хромосоме и образуют генные кластеры (так называют семейства генов, расположенных в одной хромосоме).

Генные кластеры возникли в результате дупликации (удвоения) отдельных генов. Таким образом, возникновение генных кластеров есть отражение эволюционного процесса.

Интерфазные хромосомы состоят из ДНК, белков(гистоновых и негистоновых), РНК, углеводов, липидов, ионов металлов. В интерфазе хромосомы максимально деспирализованы и представляют собой хроматин. 3 уровня компактизации хроматина:

1)нуклеосомная нить. Гистоновые белки образуют КОР из 8 молекул, напоминающий шайбу, вокруг каждого КОРа оборачивается молекула ДНК(2,5 оборота) – эта структура называется нуклеосома, а они образуют нить, напоминающую бусы

2) хроматиновая фибрилла – нуклеосомы сближаются при помощи гистонового белка и вся структура укладывается в спираль.

3)интерфазная – при помощи негистоновых белков хроматиновая фибрилла укладывается в петли, которые скручиваются между собой.

6) Строение и функции ДНК. Биологическое значение авторепродукции ДНК. Генетический код. Кодовая система ДНК и белка.

Состоит из пятиуглеродного сахара – дезоксирибозы, одного из 4х азотистых оснований (аденин,гуанин,цитозин и тимин) и остатка фосфорной кислоты. Молекулы ДНК состоят из двух полинуклеотидный цепей. Они ориентированы так, что сахарофосфатные остовы оказываются снаружи, а азотистые основания – внутри. Основания располагаются напротив друг друга и соединены водородными связями. Соединяются только комплементарные друг с другом пары. А=Т, ГºЦ. Состоит из 2х спиралевидных цепей .f: хранение, реализация и передача наследственной информации. Репликация ДНК носит полуконсервативный характер, т.к. в каждой новой молекуле ДНК одна из цепей материнская.

Биологический смысл репликации заключается в точной пе­редаче наследственной информации от материнской клетки к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток. Самая важная особенность репликации ДНК — ее высо­кая точность.

Генетический код – принцип записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде в виде последовательности нуклеотидов а молекулах РНК и ДНК. В ДНК или РНК имеется 4 виде нуклеотидов. Чтобы их закодировать, необходимо сочетание четырех видов нуклеотидов по три (4³=64)

Три нуклеотида, образующие кодовый знак, называют триплетом. Триплеты в молекуле РНК называют кодонами, а комплементарные им триплеты молекул тРНК – антикодонами. Виды триплетов мРНК записываются в таблице. Из 64 триплетов 3 не кодируют аминокислот: УАА, УАГ, УГА. Это стоп-кодоны, прекращающие синтез полипептидной цепи. Остальные 61 триплет кодируют аминокислоты, причем триплет АУГ является стартовым кодоном: с него начинается трансляция. Таким образом, многие аминокислоты кодируются более чем одним кодоном; в этом смысле код является вырожденным. Генетический код универсален для клеток и вирусов.

7) Характеристика основных этапов синтеза белка в клетке: транскрипция, процессинг, трансляция.

Наследственная информация, записанная с помощью генетического кода, хранится в молекуле ДНК и размножается для того, чтобы обеспечить вновь образуемые клетки необходимыми инструкциями для их нормального развития и функционирования. Вместе с тем непосредственного участия в жизнедеятельности клеток она не принимает. Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации, сохраняемой в ДНК, в рабочую форму, играют рибонуклеиновые кислоты – РНК.

Весь процесс проявления действия гена условно делится на три этапа:

1)Транскрипция – процесс переписывания информации с молекулы ДНК на и-РНК. Протекает в ядре. Каждая нить молекулы ДНК имеет два конца – гидроксильный (3¢) и фосфатный (5¢). Нити расположены по отношению друг к другу антипараллельно.

Синтез и-РНК в клетке всегда идет от фосфатного конца к гидроксильному. Поэтому матрицей для транскрипции служит одна нить ДНК, обращенная к синтезирующему ферменту своим гидроксильным концом; она называется кодогенной, или информативной (а другая нить, соответственно, некодогенной, или неинформативной).

Транскрипция делится на три периода:

а)Инициация –начало синтеза и-РНК. Синтез и-РНК осуществляется при помощи фермента – РНК-полимеразы. У прокариот имеется только один вид этого фермента, у эукариот – пять видов. Сущность инициации состоит в том, что фермент РНК-полимераза отыскивает в молекуле ДНК стартовую область – промотор и прикрепляется к ней. Это происходит в течение 15-20 секунд.

б)Элонгация –синтез молекулы и-РНК из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности: аденину соответствует урацил, а цитозину – гуанин. За 1 секунду выстраивается около 50 нуклеотидов. Синтез и-РНК одновременно протекает в нескольких участках молекулы ДНК. Образующиеся фрагменты называются транскриптоны. В последующем они объединяются.

в)Терминация –завершение синтеза и-РНК. Происходит тогда, когда РНК-полимераза встречается с особым участком молекулы ДНК – терминатором.

У прокариот в роли терминатора выступают участки молекулы ДНК, имеющие «симметричное» строение – они одинаково читаются в обе стороны от центра. Такие участки называются палиндромами. Фрагмент и-РНК, синтезированный на таком участке, в последующем складывается вдвое в виде шпильки. Образование "шпильки" является сигналом для завершения синтеза и-РНК. У эукариот "шпильки" не образуются. Вероятно, терминация у них протекает иначе.

2. Процессинг включает целый ряд преобразований и-РНК, необходимых для ее нормального функционирования:

1)Образование колпачка (КЭПа) на фосфатном конце.

Колпачок – это трифосфонуклеозид, содержащий гуанин. С помощью колпачка и-РНК отыскивает в цитоплазме малую субъединицу рибосомы.

2)Метилирование азотистых оснований.

3)Удаление части нуклеотидов на гидроксильном конце.

4)Присоединение на гидроксильном конце poli-А (100-200 остатков адениловой кислоты). Это образование выполняет стабилизирующую функцию и обеспечивает транспорт и-РНК из ядра в цитоплазму.

5)Сплайсинг – процесс удаления интронов и сшивания экзонов.

Ядерная и-РНК является точной матрицей молекулы ДНК. Она содержит как экзоны, так и интроны, поэтому называется незрелой, или юной. После прохождения сплайсинга она становится зрелой.

Сплайсинг присущ только эукариотам. Возможен также альтернативный сплайсинг: из одной и той же ядерной (незрелой) и-РНК вырезаются разные участки, в результате чего образуются разные зрелые и-РНК.

Зрелая и-РНК имеет следующий вид: (5’) КЭП – 1 – АУГ – 2 – 3 – 4 – poli-A (3’)

Здесь КЭП – "колпачок", 1 – лидирующий участок, АУГ – стартовый кодон, 2 – экзоны (их может быть много), 3 – кодон-терминатор, 4 – трейлер, poli-А – 100-200 остатков адениловой кислоты.

Лидирующий участок взаимодействует в последующем с рибосомальной РНК, а трейлер определяет местоположение и-РНК в цитоплазме и продолжительность ее функционирования.

Такая и-РНК выходит из ядра в цитоплазму, где осуществляется следующий этап – трансляция.

3. Трансляция – это процесс считывания информации с молекулы и-РНК на молекулу белка. Подобно транскрипции, трансляция протекает в три стадии:

а)Инициация. И-РНК своим кэпированным (фосфатным) концом отыскивает малую субъединицу рибосомы. Лидирующая последовательность соединяется с рибосомальной РНК. При этом стартовый кодон АУГ попадает в недостроенный пептидильный (П) участок рибосомы. (Как известно, в рибосоме имеется два активных участка: П – пептидильный и А – аминоацильный.) Далее к стартовому кодону присоединяется т-РНК, несущая аминокислоту метионин. Только после этого субъединицы рибосомы объединяются, и на этом инициация заканчивается.

Б)Элонгация. Заключается в синтезе полипептида из свободных аминокислот, которые доставляются транспортными РНК. Аминокислота обязательно сначала должна попасть в аминоацильный центр – «центр узнавания». Скорость присоединения аминокислот у прокариот и эукариот разная: за одну секунду присоединяется две аминокислоты у эукариот и 16-17 – у прокариот.

В)Терминация наступает тогда, когда в аминоацильный центр поступает один из трех кодонов-терминаторов – УАА, УАГ, УГА. Таким триплетам не соответствует ни одна аминокислота, поэтому они называются еще нонсенс-кодонами. К последней аминокислоте присоединяется вода, и карбоксильный конец полипептидной цепочки отсоединяется от рибосомы.

На этом синтез белка завершается.

Поскольку у про- и эукариот принципиальной разницы в механизме биосинтеза белка нет, то можно предположить, что данный механизм сформировался очень давно, еще до разделения клеток на два типа.

Следует также иметь в виду, что в синтезе белка принимает участие множество факторов инициации, элонгации, терминации – как белковой, так и небелковой природы.

8) Репликация ДНК.

Репликация носит полуконсервативный характер, т.к. в каждой новой молекуле ДНК одна из цепей материнская.

1)инициация репликации. Осуществляется в особых участках ДНК – точках начала репликации, обозначаемых ori. Участки ori представлены последовательностями из 300 пар нуклеотидов ДНК, которые узнаются специфическими белками. Двойная спираль ДНК расплетается на участке ori под действие фермента ДНК-геликазы, который разрывает водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов цепей ДНК.

2)по обе стороны от точки начала репликации (ori)образуются области расхождения цепей ДНК – репликационные вилки, которые двигаются в противоположных направлениях от точки ori. Между репликационными вилками образуется репликационный глах (участок ДНК, на котором будут образовываться новые цепи)

3)одинарные цепи ДНК в области репликационного глаза связываются дестабилизирующими белками, которые растягивают цепи, удерживая их на расстоянии друг от друга. Благодаря этому азотистые основания цепей будут доступны для связывания со свободными нуклеотидами ДНК.

4)перед репликационными вилками появляются супервитки спирали ДНК. Фермент ДНК-топоизомераза разрывает фосфодиэфирную связь в одной из цепей ДНК, снимая напряжение, вызываемое расплетением спирали и расхождением цепей в репликационной вилке. Одна из цепей ДНК будет свободно вращаться вокруг второй цепи.

5)на каждой из цепей ДНК в области репликационной вилки при участии фермента ДНК-полимеразы будут синтезироватья новые цепи ДНК по принципу комплементарности из свободных дезоксирибонуклеотидов. Для присоединения этого фермента необходим свободный 3’ конец полинуклеотидной цепи – РНК-затравка, которую синтезирует фермент РНК-праймаза. Затравка содержит около 10 рибонуклеотидов.

6)репликационная вилка является асимметричной, т.к. ДНК-полимераза способна осуществлять сборку цепи в напралении от 5’конца к 3’ концу, поэтому:а)на одной из цепей ДНК (3-5) сборка новой цепи будет происходить непрерывно и быстро от 5концу к 3концу – лидирующая цепь; б)синтез на второй материнской цепи ДНК(5-3) будет осуществляться короткими фрагменами (фрагменты Оказаки) и медленнее – запаздывающая(отстающая). Фермент ДНК-полимераза может определять только ОН-группу на 3конце, а вторая цепь ДНК обращена к этому ферменту 5концом. Сначала фермент РНК-праймаза образуется РНК-затравку, а затем фермент ДНК-полимераза синтезирует фрагмент ДНК. Каждый фрагмент Оказаки синтезируется после РНК-затравки и содержит у прокариот-1000-2000 нуклеотидов, у эукариот-100-200. Фермент ДНК-лигаза сшивает фрагменты Оказаки после удаления РНК-затравки. Синтез отстающей цепи напоминает шитье «назад иголкой». Репликон(единица репликации)-фрагмент ДНК от точки ori до точки ее окончания.

9) Экспрессия гена в процессе синтеза белка. Основные этапы: транскрипция, процессинг, трансляция.

Date: 2016-07-22; view: 1212; Нарушение авторских прав