Лекция № 8: «Молекулярные генетика».

Хромосомная теория закрепила за генами роль элементарных наследственных единиц, локализованных в хромосомах.

Ген– функциональная единица наследственности, представляющая собой участок молекулы ДНК, содержащей информацию о синтезе молекулы белка или РНК и обеспечивающей возможность развития определенных признаков организма.

Гены про- и эукариотов имеют различное строение.

Ген прокариотов представляет собой цитрон – полностью считываясь на всем протяжении, единица наследственности, определяющая наследственность аминокислот в белковой молекуле. Цитрон подразделяется на предельно малые единицы – реконы, способные к рекомбинации при кроссинговере. Кроме того, выделяют понятие мутон – это наименьшая часть гена, способная к мутированию. Размеры рекона и мутона могут ровняться одной или нескольким парам нуклеотидов, цитрона – сотням и тысячам нуклеотидов.

Гены эукариотов имеют сложную мозаичную структуру. В них информативные участки чередуются с неинформативными. Первые называют экзоны, вторые – интроны.

Экзоны– функциональная часть гена, т.е. информативная последовательность нуклеотидов, кодирующая синтез молекулы белка или РНК.

Интрон – неинформативная последовательность нуклеотидов внутри одного гена. Выполняет цементирующую функцию. Включение интронов в ген делает его протяженной единицей. Размер интронов от 10 до 10 тыс. нуклеотидных пар.

Совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом называется – геном. Молекула ДНК в геноме выполняет различные функции, поэтому они имеют различное название. Последовательности нуклеотидных пар, несущие информацию о структуре молекул белка или РНК. Кроме этих генов, существуют последовательности, не имеющие кодирующих функций, но управляющие работой структурных генов. С помощью присоединения к себе различных факторов. Это так называемые гены, регуляторные.

Среди структурных генов выделяют 3 группы:

1) гены, функционирующие во всех клетках (напр., гены, контролирующие энергетический обмен и синтез важнейших макромолекул);

2) гены, функционирующие только в тканях одного типа (синтез миозина в мышцах);

3) гены, активные в узкоспециализированных клетках (контролирующие синтез гемоглобина в эритроцитах, гормонов – в клетках эндокринных желез).

Функциональные гены подразделяются на следующие группы:

1) промотор – участок ДНК, включающий 80-90 НП, способность соединяться с ферментом полимеразой и определяет начало считывания информации;

2) оператор – включает в работу группу структурных генов, вместе с которыми образует оперон. Оператор обладает химическим сродством с белком-репрессором;

3) регулятор – участок ДНК, кодирующий синтез белка-репрессора;

4) терминатор – нуклеотидная последовательность, которая определяет конец считывания наследственной информации.

 

Все названные гены обладают общими свойствами репликации, транскрипции, мутации, рекомбинации, репарации.

Репликация (самоудвоение) происходит перед каждым нормальным делением клетки в период интерфазы. При этом из одной молекулы ДНК (двуцепочечной) образуются две идентичные друг другу молекулы. Процесс начинается с разрыва связей между азотистыми основаниями, образуются две одноцепочечные структуры. Затем, к обоим целям пристраиваются комплементарные нуклеотиды и с помощью ферментов связываются в единую молекулу.

Транскрипция– переписывание наследственной информации с ДНК.

Мутация– внезапное, скачкообразное изменение генотипа (нарушение структуры гена) под воздействием факторов среды.

Рекомбинация – обмен идентичными участками между аллелями в результате кроссинговера.

Репарация – способность клеток восстанавливать поврежденные участки ДНК с помощью специальных ферментов.

 

Вся наследственная информация в генотипе записана в виде кода.

Генетический код – это система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, способ зашифровки информации о структуре и функциях белка.

Генетический код служит ключом для перевода нуклеотидной последовательности в аминокислотную.

Каждые три следующие друг за другом нуклеотида в молекуле ДНК называются триплетом, в и-РНК – кодоном, в т-РНК – антикодоном. Количество возможных комбинаций азотистых оснований, образующих триплет, невелико и составляет 4³ = 64. с их помощью кодируется последовательность 20 аминокислот в белковой молекуле. Из возможных 64 разновидностей триплетов выделяют 61 триплет, кодирующий определенную аминокислоту и 3 стоп-кодона, определяющие место обрыва аминокислотной последовательности.

Генетический код является универсальным. У всех организмов кодирования информации осуществляется по одному принципу, с использованием одних и тех же кодонов.

Чередование триплетов в молекуле ДНК, составляющих ген, определяет последовательность аминокислот в соответствующей молекуле белка. Значит, строение этих молекул параллельно друг другу, или коллинеарно.

Вырожденность кода означает, что большинство аминокислот кодируются не одним, а несколькими (до 6) кодонами.

Генетический код является не перекрывающимся, это значит, что один и тот же нуклеотид не может одновременно входить в состав двух различных триплетов. Информация с молекулы ДНК всегда считывается линейно тройками нуклеотидов.

Единицей реализации наследственной информации является транскриптон, включающий совокупность структурных и функциональных генов. Начинается транскриптон с генов, определяющих скорость транскрипции. Далее расположен просмотор, затем ген оператор. За оператором следует группа структурных генов. Последний участок транскриптона – ген – терминатор.

Транскриптон = Скорость-Промотор-Оператор-Структурные гены-Терминатор.

Синтез белка осуществляется в рибосомах. В процессе биосинтеза различают несколько этапов: транскрипция, процессинг, активация и транспорт аминокислот, трансляция.

При транскрипции генетическая информация, заключенная в молекуле ДНК, переписывается по принципу комплементарности в молекуле гя-РНК: процесс идет при участии ферментов и регулярных белков. Фермент полимераза связывается с геном промотором и начинает расплавлять Н-связи в молекуле ДНК в направлении 5 - 3. При этом к каждой свободной связи сразу же присоединяется нуклеотид молекуле РНК. При помощи ферментов нуклеотиды соединяются между собой, отщепляя полученную РНК от ДНК. Таким образом, синтезируется гя-РНК, которая является первичным транскриптом, несущим как информативные гены, так и неинформативные участки. Заканчиваетя транскрипция геном терминатором.

Созревание гя-РНК и превращения ее в и-РНК происходит в ядре в ходе процессинга. Большое участие в этом принимает структурный компанент ядра – сплайсосома. Сплайсосома охватывает участок молекулы РНК и втягивает его в виде петли внутрь. При этом экзонные участки сближаются и сшиваются ферментом лигазой. Затем фермент рестриктаза отрезает неинформативный участок. Образуется и-РНК, несущая только экзоны. В ходе процессинга происходит еще одно важное событие - защита концевых участком молекулы и-РНК, что обеспечивает ее устойчивость. На одном конце молекулы присоединяется цепочка, содержащая 150-200 адениновых нуклеотидов. На другом конце метилированный гуанин через 3 остатка фосфорной кислоты соединяется с первым нуклеотидом РНК.

CH3-Г-Р-Р-Р-…………………………………………….……..-А-А-А-….-А.

Образовавшаяся и–РНК в ядре соединяется с малой субъединицей рибосомы и переходит в цитоплазму. Активацияаминокислот происходит с помощью АТФ путем ее присоединения. Полученный комплекс соединяется с т-РНК при участии ферментов. Образуется аминоацил-тРНК. Каждая т-РНК имеет акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота. В такой форме аминокислота попадает в рибосому.

Трансляция – перевод нуклеотидной последовательности и-РНК в полипептидную последовательность белка. Трансляция осуществляется в рибосоме. Связывание аминокислот происходит на большой субъединице. Рибосома имеет два участка для связывания т-РНК: А–участок - аминоацильный и П-участок - пептидильный Это определяет то, что внутри рибосомы в каждый данный момент находится всегда только два кодона и-РНК, один - в А–участке, другой - в П-участке. Рибосома движется относительно и-РНК только в одном направлении, смещаясь на один кодон.

Трансляция включает три этапа: инициация, элонгация и терминация.

1) начинается с активации П – участка инициирующей группой – кодон-инициатор АУГ при участии белка-фактора инициации.

2) Молекула т-РНК, несущая первую аминокислоту белковой молекулы, присоединяется к комплементарному ей кодону А-участка. Рибосома перемещается на один кодон вперед, и первая т-РНК оказывается в П-уч, а к новому кодону А–участка присоединяется следующая т-РНК, несущая вторую аминокислоту. Затем между аминокислотами возникает пептидная связь и образуется дипептид. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее т-РНК, которая удаляется, а дипептид становится связанным только со второй т-РНК. Рибосома перемещается еще на один кодон. Комплекс т–РНК – дипептид перемещается в П – участок , а к кодону А–участка присоединяется третья т-РНК. Это происходит до тех пор, пока путем последовательного присоединения аминокислот не будет построена вся полипептидная цепь.

3) Сигналом к окончанию синтеза является приход в А–участок нонсенс- кодона, т.к. не существует ни одного кодона который бы к нему присоединился.

Таким образом, в результате трансляции образуется линейным полипептид - первичная структура белковой молекулы. Это, как правило, неактивная молекула. Созревание белковой молекулы и приобретение активной формы происходит в цитоплазме или каналах шероховатой ЭПС.

 

В последствии десятилетия, благодаря успехам молекулярной биологии, появилось новое направление науки – генетическая инженерия. Генная инженерия – это сумма методов, позволяющих переносить гены из одного организма в другой. Она включает следующие основные стадии:

1.Выделение генов из донорского организма

2.Сшивание генов с молекулой – переносчиком

3.Введение полученной ДНК в организм реципиента и обеспечение функциональной активности чужеродных генов в геноме клетки реципиента.

Можно выделить 3 направления применения генной инженерии в медицине.

1.Микробиологическое производство вакцин и сывороток. Для их получения в бактериальную клетку вносят гены, кодирующие белки оболочки патогенных вирусов. Синтезированные таким образом вирусные белки можно использовать для вакцинации против соответствующего вирусного заболевания. Так создана вакцина против инфекционного гепатита.

2.Диагностика генетических аномалий человека на ранних стадиях внутриутробного развития. Путем амниоцентезаберут околоплодную жидкость, содержащую отдельные клетки эмбриона. ДНК эмбриона расщепляет на ряд фрагментов, их фракционируют, а затем сравнивают с образцом того гена, дефект которого следует обнаружить. Этим методом обнаруживаются такие заболевания крови, как гемофилия, талассемия.

3.Генная хирургия, т.е. замена поврежденного гена на полноценный. Эта задача очень трудная. Однако уже удалось перенести ген белка глобина мыши в клетки обезьяны, в результате чего в клетках обезьяны стал синтезироваться белок крови мыши. Не исключительно, что с помощью генной хирургии удается исправить не только наследственные дефекты, но и дефекты, связанные с отсутствием определенного белка.