Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Генная инженерия. Биотехнология. Задачи, методы. Достижения, перспективы
Принцип регуляции генной активности на примере прокариот (модель оперона) и эукариот.
Механизм регуляции генетического кода был открыт французскими учеными ФЖакобом и ЖМоно в 1961 г. на бактериях E.coli и получил название механизма индукции-репрессии. Было установлено, что синтез соответствующих белков - ферментов индуцируется веществом, служащим субстратом для данного фермента и необходимым для нормальной жизнедеятельности клетки.
Так, например, для нормальной жизнедеятельности E.coli необходим молочный сахар (лактоза) и в ее геноме содержатся гены, контролирующие синтез ферментов, гидролизующих лактозу до простых соединений. Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены пребывают в репрессированном состоянии и не функционируют. Внесенная в среду лактоза будет тем индуктором, который включает в работу данные гены, и в клетке начинается синтез ферментов, гидролизующих лактозу до более простых соединений. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается.
Роль репрессора может выполнять и вещество, синтезируемое в клетке, если содержание его превышает норму. Например, если синтезируются нуклеотиды, аминокислоты и другие вещества и содержание их превышает количество, необходимое данной клетке, каждое из них может быть репрессором и подавлять работу генов, синтезирующих ферменты, необходимые для данного биохимического процесса.
Механизм индукции - репрессии обеспечивает включение (индукцию) в работу тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается(репрессируется), когда деградируемый данными ферментами субстрат израсходован или когда синтезируемое данными ферментами вещество находится в избытке.
По теории Жакоба и Моно, гены, влияющие на синтез определенного фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход реакции синтеза. Такая группа генов называется опероном, а гены, непосредственно кодирующие синтез соответствующих ферментов, называют структурными генами. В начале каждого оперона находится специальный ген — ген оператор. На структурных генах одного оперона обычно образуется одна м-РНК, и эти гены бывают одновременно активны или неактивны. Как правило, структурные гены в опероне находятся в состоянии репрессии.
Включение в работу оперона или выключение его осуществляет участок ДНК, получивший название гена — регулятора. Ген-регулятор расположен на особом участке молекулы ДНК и кодирует синтез белка — ре-прессора, выключающего работу оперона. Соединяясь с геном - оператором, репрессор замыкает двойную цепь молекулы ДНК, прекращая этим синтез м-РНК на структурных генах и образование первого из ферментов, необходимого для хода реакции синтеза.
Работой структурных генов управляют находящиеся в опероне гены, не имеющие кодирующих функций. Их называют акцепторными генами. Система акцепторных и структурных генов образуют один оперон. Оперон состоит из нескольких участков ДНК, каждый из которых принимает активное участие в транскрипции м-РНК: промотора, оператора, спейсера, структурных генов и терминатора.
Промотор — участок ДНК, опознаваемый ферментом РНК- по-лимеразой, обеспечивающим синтез м-РНКЕму в опероне предшествует участок ДНК, к которому присоединяется Сар-белок - белок активатор. Эти два участка ДНК состоят из 85 нуклеотидных пар. После промотора в опероне размещается ген — оператор, состоящий из 21 нуклеотидной пары С ним обычно и бывает связан белок - репрессор, вырабатываемый геном-регулятором За геном-оператором располагается спейсер (space -промежуток). Спейсеры — неинформативные участки молекулы ДНК различной длины (иногда до 20000 пар оснований), которые, по видимому, принимают участие в регулировании процесса транскрипции соседнего гена.
После спейсера в опероне располагаются структурные гены, число которых может быть различным. У кишечной палочки lac-оперон содержит
три структурных гена, состоящих из 6000 нуклеотидных пар и имеющих условные обозначения z, у и а. Каждый из них кодирует синтез соответствующего фермента Заканчивается оперон терминатором — небольшим участком ДНК, который служит стоп-сигналом синтеза м-РНКна данном опероне.
Акцепторные гены служат местом прикрепления различных белков, регулирующих работу структурных генов. Если лактоза, проникая в клетку (ее в данном случае называют индуктором), блокирует белки, кодируемые геном-регулятором, то они теряют способность присоединяться к гену-оператору. Ген-оператор переходит в активное состояние и включает в работу структурные гены.
РНК-полимераза с помощью Cap-белка (белка-активатора) присоединяется к промотору и, продвигаясь по оперону, синтезирует про-м-РНК. При транскрипции м-РНК считывает генетическую информацию со всех структурных генов в одном опероне. При трансляции на рибосоме происходит синтез нескольких разных полипептидных цепей, в соответствии с содержащимися в м-РНК кодонами — последовательностями нуклеотидов, обеспечивающих инициацию и терминацию трансляции каждой цепи. Тип регуляции работы генов, рассмотренной на примере лактозного оперона, называется негативной индукцией синтеза белка.
Другим типом регуляции работы генов служит негативная репрессия, изученная у E.coU на примере оперона, контролирующего синтез аминокислоты триптофона. Этот оперон состоит из 6700 пар нуклеотидов и содержит 5 структурных генов, ген оператор и два промотора. Ген регулятор обеспечивает постоянный синтез регуляторного белка, который не влияет на работу trp - оперона. При избытке в клетке триптофана последний соединяется с регуляторным белком и изменяет его таким образом, что он связывается с о перо ном и репрессирует синтез соответствующей м-РНК.
Известна также и так называемая позитивная индукция, когда белковый продукт гена—регулятора активирует работу оперона, т.е. является не репрессором, а активатором Деление это условно, и строение акцепторной части оперона, действие гена - регулятора у прокариот весьма разнообразны.
Число структурных генов в опероне у прокариот колеблется от одного до двенадцати; оперон может иметь либо один, либо два промотора и терминатора. Все структурные гены, локализованные в одном опероне, как правило, контролируют систему ферментов, обеспечивающих одну цепь
биохимических реакций. Несомненно, что в клетке существуют системы, согласующие регуляцию работы нескольких оперонов.
К первой части акцептора гена - оператора присоединяются белки, активирующие синтез м-РНК, а к концу его — белки - репрессоры, подавляющие синтез м-РНК. Один ген регулируется одним из нескольких белков, каждый из которых прикрепляется к соответствующей точке акцептора. Разные же гены могут иметь общие регуляторы и одинаковые операторные участки. Гены — регуляторы действуют не одновременно. Сначала один включает сразу одну группу генов, затем через некоторое время другой — другую группу, т.е. регуляция активности генов происходит «каскадами», причем белок синтезированный в одной стадии, может быть регулятором синтеза белков следующей стадии.
Проблема регуляции активности генов у высших организмов имеет большое практическое значение и в животноводстве, и в медицине, т.к. разрешение ее откроет пути сознательного управления индивидуальным развитием животных и повышением их продуктивности. В кормлении это вопрос о незаменимых, т.е. не синтезируемых организмом животного, аминокислотах и необходимости учета их при составлении рационов, т.к. недостаток незаменимых аминокислот в кормах ведет к снижению энергии роста, обусловленному нарушением белкового синтеза в клетке. При воспроизводстве стад, в частности в овцеводстве, используется сыворотка крови жеребых кобыл, влияющая на повышение их плодовитости, что связано с гормональной регуляцией белкового синтеза.
Активная работа структурных генов у эукариот зависит от того, какую функцию выполняет клетка в соответствующей ткани или органе. Значительная часть генов в ядрах дифференцированных клеток находится в репрессированном состоянии, при этом большое значение имеет тормозящее действие гистонов и негистоновых хромосомных белков на синтез ДНК - зависимой РНК. Сильно сконденсированный хроматин (ге-терохроматин) генетически малоактивен.
Условно структурные гены эукариот могут быть по их активности подразделены на несколько типов. К 1-му типу могут быть отнесены гены, функционирующие во всех клетках организма. Это гены, кодирующие ферменты энергетического обмена, ферменты, необходимые для синтеза аминокислот, а также гены, контролирующие образование мембранных и других структурных белков. Ко 2-му типу можно отнести гены, функционирующие в клетках тканей одного типа, например, гены, контролирующие синтез миозина в мышечных клетках, коллагена - в костях и т.д. К 3-му типу могут быть отнесены гены специализированных клеток, выполняющие важные, но узкие функции — синтез глобина в эритроцитах, гормонов в эндокринных железах и т.д.
О работе генов обычно судят по типам м-РНК, находящихся в цитоплазме. В одной клетке животных содержится от 10 до 20 тыс. разных м-РНК, но большая часть из них представлена небольшим (порядка 10) числом копий, что свидетельствует о слабой работе генов, их синтезирующих. И только около 10% типов м-РНК, т.е. около 1-2 тыс. имеют от 1 тыс. до 150 тыс. копий, что свидетельствует об активной работе соответствующих генов. Число типов м-РНК и их копий зависит от функции клетки. Наибольшее разнообразие м-РНК содержится в клетках мозга.
У высших организмов в отличие от низших не наблюдается непосредственное подавление синтеза белков продуктами этого синтеза, а также непосредственной реакции на поступление в организм тех или иных веществ. По сравнению с микроорганизмами у высших организмов несравненно большее значение приобрела «каскадная»регуляция.
В отличие от м-РНК бактерий м-РНК клеток животных высоко стабильна и может служить матрицей белкового синтеза длительное время или сохраняется в виде информосом в соединении с гистонами, образуя в клетке «запасный фонд» м-РНК. Так, например, у животных ряд типов м-РНК синтезируется в оогенезе, сохраняется в яйцеклетке и начинает функционировать на рибосомах после оплодотворения, оказывая значительное влияние на эмбриональное развитие.
Например, длительность жизни ретикулоцитов до превращения их в эритроциты достигает 6 суток, и хотя ядра у них отсутствуют, синтез гемоглобина идет на матрицах м-РНК, образовавшихся на предшествующей стадии нормобласта. Следовательно, у высших организмов возможны образование безъядерных клеток и жизнедеятельность их за счет «запасного фонда» м-РНК. В других случаях в клетках может сохраняться в неактивном состоянии ядро, т.е. без протекающего в нем синтеза м-РНК, как, например, в эритроцитах птиц или сперматозоидах, процессы жизнедеятельности в которых осуществляются также за счет ранее синтезированной м-РНК.
Гормональная регуляция белкового синтеза. Роль гормонов в регуляции синтеза м-РНК установлена у животных ряда видов. Так, у двукрылых насекомых выделен гормон развития. Введение его личинкам способствует быстрому их превращению в куколки, причем значительно ускоряется образование и смена пуффов - мест синтеза м-РНК. Установлено
также, что при добавлении в среду гормона щитовидной железы, совершается быстрый метаморфоз - превращение головастиков в лягушек, что свидетельствует об активации генов, влияющих на процессы метаморфоза.
Исследования развития эмбрионов у высших животных показали, что железы внутренней секреции начинают функционировать очень рано, выделяемые же ими гормоны вносят существенные изменения в процессы дифференцировки и развития тканей и органов. Деятельность желез внутренней секреции сказывается на активации белкового синтеза и во взрослом состоянии. Наступление стельности, например, интенсифицирует синтез РНК в вымени нетелей, что, несомненно, связано с гормональной деятельностью желез внутренней секреции, в частности половых.
Гормоны выступают в ряде случаев как индукторы и супрессоры синтеза м-РНК по типу схемы Жакоба и Моно или посредством изменения проницаемости клеточной мембраны, вследствие чего в клетку поступают вещества — индукторы синтеза м-РНК и белков. Некоторые гормоны, например тироксин, влияют на усиление активности генов путем активации энергетической базы клетки и увеличения выхода АТФ и других энергопроизводящих веществ,_необходимых для белкового синтеза. Наконец, гормоны могут соединяться с молекулами ферментов и изменять их активность, что ведет к изменению концентрации продуктов ферментативных реакций, в свою очередь подавляющих или усиливающих активность генов.
Примером действия гормона, как регулятора активности генов, может служить наиболее изученный в этом отношении гормон поджелудочной железы инсулин, «мишенью» для которого является ДНК клеток печени. В печени протекают два противоположных процесса - гликолиз и синтез гликогена из глюкозы, уменьшающий содержание последней в крови, и глюконеогенез - синтез глюкозы из неуглеводистых веществ, увеличивающий ее содержание в крови. Оптимальная концентрация глюкозы в крови поддерживается соотношением ферментов этих двух систем. Вебер установил, что инсулин влияет на гены, синтезирующие ферменты гликолиза и глюконеогенеза. Он активирует 3 гена, составляющие один оперон, с помощью которого образуются ферменты, использующие глюкозу (гликолиз и синтез гликогена), и в то же время является репрессором для состоящего из четырех генов оперона, влияющего на глюконеогенез. Конечные же продукты на активность ферментов не влияют.
Гормон роста, секретируемый гипофизом, активирует синтез белков через активацию синтеза м-РНК во многих клетках организмаЛТри гипо-физэктомии у белых крыс, согласно опытам Кернера, синтез белков по сравнению с контролем сокращается вдвое, причем резко уменьшается количество полисом. Последнее является показателем уменьшения количества молекул м-РНК, т.е. гормон роста активирует ее синтез на структурных генах ДНК При введении гормона роста гипофиза ктомирован-ным крысам синтез м-РНК и белков возвращается к норме.
Помимо гормонов, выделяемых железами внутренней секреции, существуют и другие гуморальные факторы, влияющие на активность генетического аппарата определенных клеток. Таков, например, белок, необходимый для нормального развития симпатического отдела нервной системы, представляющий собой ростовой фактор, к которому очень чувствительны симпатические ганглии. Он выделяется тубулярным отделом слюнных желез животных, связан с мужским половым гормоном и активирует синтез м-РНК и белка строго избирательно - только в симпатическом нейроне, вызывая рост этих клеток, т.е. является индуктором, активирующим определенные гены по типу модели Жокоба и Моно.
К новым механизмам регуляции белкового синтеза относится и синтез дополнительной ДНК, поступающей затем в цитоплазму, где она активно синтезирует м-РНК для тех белков, которые необходимы для выполнения клеткой ее функций в организме. Настроенность ядра на синтез определенных РНК зависит от цитоплазмы, что было установлено в опытах пересадки ядер, образования пуффов под воздействием разных факторов; однако качественный состав синтезируемого белка определяется только геном, на котором синтезируется м-РНК.
При трансляции, т.е. синтезе белка на м-РНК, при недостатке в клетке аминокислот наблюдается подавление деятельности матричной РНК, т.к. свободные от аминокислот т-РНК, присоединяясь к соответствующим кодонам м-РНК, прерывают синтез белковой молекулы. Следовательно, для нормального течения белкового синтеза требуются не только м-РНК, но и достаточный запас необходимых для него аминокислот.
У высших организмов в эмбриональный период влияние среды относительно невелико. Так, температурные колебания в обычных для данного вида пределах не влияют на деятельность ядра, и только шок, вызванный резким повышением температуры, приводит к ряду нарушений вплоть до полного его выключения, или, наоборот, активизирует деление, как при искусственном партеногенезе.
В постэмбриональный период организм находится под значительным влиянием среды. Оно в большей или меньшей степени отражается на его жизнедеятельности и синтезе ферментов и других белков. При задержке роста молодых крыс в результате их недостаточного питания у них изменяется соотношение в крови белков, сохраняющиеся на уровне, характерном для более молодых животных. Интенсивность белкового синтеза снижается и при недостаточном кормлении коров, приводящим к падению их молочной продуктивности. Все эти примеры указывают на значение состояния цитоплазмы в регуляции деятельности ДНК.
Вопрос о регуляторах белкового синтеза важен не только для теории. Он имеет непосредственное отношение к практике животноводства и растениеводства. Совершенно ясно, что химическое строение, а, следовательно, и функции белков связаны со структурной ДНК и что она определяет качественный состав белков организма. Но большое значение в процессах развития и жизни организма наряду с качеством имеет и количество синтезируемого белка, а последнее зависит от степени активности определенного участка молекулы ДНК. Например, ДНК определяет химический состав гормона роста, синтезируемого в гипофизе, а отсюда и его функции. Если такого гормона синтезируется мало, то это вызывает серьезные нарушения в развитии организма; однако и чрезмерно интенсивный синтез гормона скажется на конституции организма.
В практике основной способ управления процессами жизнедеятельности организма - изменение условий среды. Поэтому решение вопроса о влиянии на состояние плазмы условий среды и факторов, регулирующих белковый синтез, имеет очень важное значение. Выяснение его дало бы в руки практики достаточно мощное орудие для изменения животных в процессе их развития в нужную сторону путем создания соответствующих условий.
Генная инженерия. Биотехнология. Задачи, методы. Достижения, перспективы
БИОТЕХНОЛОГИЯ - производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток: клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки - чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки.
Основные направления и методы биотехнологии
Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии:
· биотехнология пищевых продуктов;
· биотехнология препаратов для сельского хозяйства;
· биотехнология препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования;
· биотехнология лекарственных препаратов;
· биотехнология средств диагностики и реактивов.
Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.
Генная и клеточная инженерия – являются важнейшими методами (инструментами), лежащими в основе современной биотехнологии. Методы клеточной инженерии направлены на конструирование клеток нового типа. Они могут быть использованы для воссоздания жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, для объединения целых клеток, принадлежавших различным видам с образованием клетки, несущей генетический материал обеих исходных клеток, и других операций.
Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. В результате применения генно-инженерных методов можно получать рекомбинантные (модифицированные) молекулы РНК и ДНК, для чего производится выделение отдельных генов (кодирующих нужный продукт), из клеток какого-либо организма. После проведения определенных манипуляций с этими генами осуществляется их введение в другие организмы (бактерии, дрожжи и млекопитающие), которые, получив новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с измененными, в нужном человеку направлении, свойствами. Иными словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных» растений и животных.
Наибольшее применение генная инженерия нашла в сельском хозяйстве и в медицине.
С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности.
Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии.
В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д.
Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.
Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.
В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных.
Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.
Date: 2015-09-24; view: 1385; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА... |