Понятие и структурная организация гена
Раздел 3. Молекулярные и биохимические основы наследственности.
Тема 3.1 Строение и генетическая роль нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). Гены, их структура и свойства
1. Химическое строение и генетическая роль нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.
2. Репликация ДНК.
3. Репарация ДНК.
4. Структура и свойства белков.
5. Понятие и структура гена.
6. Оосбенности митохондриальной ДНК.
7. Свойства генов. Генетический код.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах.
Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в журнале Nature в 1953 г. Дж. Уотсоном, Фр. Криком и М. Уилкинсом. Эти исследования легли в основу молекулярной биологии, изучающей основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне. В распоряжении Уотсона и Крика были две группы данных: 1. результаты анализа состава оснований в молекуле ДНК после гидролиза, 2. дифракционный анализ структуры ДНК с помощью Х-лучей. Опираясь на эти данные Уотсон и Крик сконструировали модель ДНК, отвечающую экспериментальным результатам.
| Дж. Уотсон, Фр. Крик |
|
|
|
Модель ДНК Уотсона – Крика:
Они предположили, что ДНК имеет форму двойной спирали со следующими свойствами:
1. Две длинные полинуклеотидные цепочки закручены вокруг центральной оси, формируя правозакрученную двойную спираль.
2. Эти две цепи ориентированы в противоположных направлениях.
3. Основания в составе каждой полинуклетидной цепи лежат в плоскости, перпендикулярной оси молекулы и располагаются внутри двойной спирали плоскопараллельно, один над другим, с интервалом 0,34 нм.
|
|
|
4. Азотистые основания противоположных цепей ДНК соединены водородными связями в строго определенном виде: А=Т, Г=Ц.
5. Полный оборот цепи занимает 3,4 нм, включая по 10 оснований в каждой цепи.
6. По длине молекулы чередуются большие и малые бороздки.
7. Диаметр спиралей составляет 2 нм.
Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого является нуклеотид.
Нуклеотид состоит из азотистого основания пуринового (аденин, гуанин) или пиримидинового (тимин, цитозин), углевода дезоксирибозы (пятиуглеродный) и остатка фосфорной кислоты (HPO3 -). Нуклеотиды соединяются в полимерные цепочки с помощью фосфодиэфирных связей, когда остаток фосфорной кислоты соединяется эфирными связями с двумя гидроксильными группами сахаров. Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360 градусов. Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и расположены с интервалом 34 нм, ширина 2 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между комплементарными основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.
В разработке модели ДНК важную роль сыграли наблюдения Чаргаффа (1950) о том, что количественные отношения гуанина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина соответствует содержанию тимина. Это положение было названо «правилом Чаргаффа»:
|
|
|
А = Т; Г = Ц или 
Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5’ положения одного пентозного кольца и 3’ положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов от 5’ – конца к 3’ – концу – такая нить называется смысловой ДНК, здесь расположены гены. Вторая нить направления 3’- 5’ считается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая цепь играет большую роль в процессах репликации и репарации (восстановления структуры поврежденной ДНК). Основания в антипараллельных нитях образуют за счет водородных связей комплементарные пары: А+Т, Г+Ц. следовательно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.
Размеры ДНК могут меняться в гигантских пределах – от нескольких нуклеотидов до миллиардов пар оснований. Молекулы ДНК могут быть линейными или замкнутыми в кольцо. У человека большая часть ДНК присутствует в ядрах клеток в виде 46 плотно упакованных, суперскрученных нитей (хромосом). Небольшая часть ДНК, около 5% локализована в митохондриях.
|
|
|
Знание структуры и функции ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными.
Функции ДНК:
1. Хранение наследственной информации. Порядок расположения нуклеотидов в молекуле ДНК определяет порядок расположения аминокислот в белке. Различия между организмами определяются различиями их белкового состава. Именно белки формируют свойства клеток и организма в целом. Поэтому молекулы ДНК, в которых с помощью генетического кода зашифрована информация о белках, по сути содержат информацию о всех признаках организма.
2. Передача наследственной информации следующему поколению. Осуществляется благодаря способности ДНК к удвоению (репликации).
Доказательства роли ДНК:
Одним из доказательств роли ДНК в передаче наследственной информации были опыты по трансформации
бактерий. Ф. Гриффите (1928) работал с двумя штаммами пневмококков: S-штаммом (капсульный, вирулентный, способный вызывать заболевание и смерть мышей) и R-штаммом (бескапсульный, авирулентный, не способный вызывать заболевание у мышей). Введение убитого кипячением вирулентного S-штамма не вызывало гибели мышей. При смешивании в культуре живого невирулентного R-штамма и убитого кипячением вирулентного S-штамма и введении смеси подопытным животным наблюдалась их
гибель. При кипячении нуклеиновые кислоты в отличие от белковых молекул не разрушаются, поэтому
можно было предположить, что новое свойство (вирулентность) передано молекулами ДНК. В 1944 г. О. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти подтвердили это предположение. Они брали очищенную от вирулентного S-штамма пневмококков ДНК и добавляли ее в питательную среду, на которой выращивали авирулентный R-штамм. Через несколько дней его вводили мышам и они погибали, т. е. авирулентный штамм стал вирулентным.
Таким образом, трансформация — это способность одного штамма бактерий встраивать в свою ДНК участки
молекулы ДНК другого штамма и приобретать при этом свойства последнего.
Второе доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации получили Н. Циндер и Дж. Ледерберг. В 1952 г. они описали явление трансдукции. U-образную трубку заполняли жидкой питательной средой и посредине ставили бактериальный фильтр. В левое колено помещали триптофаннесинтезирующий штамм (22А) бактерий мышиного тифа, а в правое — триптофансинтезирующий штамм бактерий дикого типа (2А). В правое колено добавляли бактериофаг (вирус, паразитирующий на бактериях). Через некоторое время в левом колене появлялись триптофансинтезирующие бактерии. Непосредственного контакта между бактериями не было. Роль «переносчика» этого свойства выполнили бактериофаги. Размножаясь в бактериях штамма 2А, они встраивали в свою ДНК частицы ДНК клеток хозяина. Проходя бактериальный фильтр и внедряясь в бактерии штамма 22А, они передавали им участок ДНК, ответственный за синтез триптофана. Бактерии приобретали свойство штамма 2А.
Трансдукция — это способность бактериофагов переносить фрагменты ДНК от одного штамма бактерий к
другому и передавать соответствующие свойства. Доказательством того, что нуклеиновые кислоты, а не белки, являются носителями генетической информации, были опыты X. Френкель-Конрата (1950) с вирусом табачной мозаики (ВТМ). ВТМ состоит из белковой оболочки и РНК. С помощью химических методов удалось разделить вирус на РНК и белок. При введении в листья растений табака белковой части вируса заболевание не развивалось, а при введении РНК на листьях появлялась мозаика. В пробирке получили гибридные частицы ВТМ. Если гибрид имел РНК от вирулентного штамма, а белок — от авирулентного, то он обладал резко выраженной вирулентностью. Если же соединяли белок вирулентного штамма с РНК авирулентного, гибрид не вызывал заболевания растений. Так с открытием явлений трансформации, трансдукции и опытами Френкель-Конрата была доказана роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации.
В 1941 г. Г. Бидл и Е. Татум установили, что гены отвечают за образование ферментов, которые через клеточный метаболизм влияют на развитие морфологических и физиологических признаков. Они выдвинули гипотезу «один ген — один фермент». В настоящее время она формулируется более точно: «один ген — один полипептид», так как ген не всегда детерминирует синтез целой белковой молекулы. Например, молекула гемоглобина человека состоит из четырех полипептидных цепей. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется своим собственным геном. Следовательно, молекула гемоглобина кодируется по меньшей мере четырьмя генами.
Другие доказательства роли ДНК:
1. Распределение ДНК. Генетический материал должен обнаруживаться по месту своей функции – в ядре клетки (в хромосомах). Однако в ядре находятся как ДНК, так и белки. Цитоплазма содержит множество белков и сравнительно мало ДНК, которая присутствует в митохондриях. Другими словами, ДНК локализована в клетке там, где выполняются определенные генетические функции, а белки встречаются повсюду. Кроме того, обнаружена тесная корреляция между количеством хромосом и числом ДНК в клетке, по содержанию белка такой корреляции не обнаруживается.
2. Мутагенез. Ультрафиолетовый свет – один из агентов, индуцирующих мутации генетического материала. Можно облучить дрожжи или другие простейшие грибы ультрафиолетом с разной длиной волны, а эффективность мутагенного эффекта измерять по количеству индуцированных мутаций. Следует ожидать, что молекулы-носители генетического материала будут поглощать свет в той области, где наблюдается мутагенный эффект. УФ обладает мутагенным эффектом при длине волны 260 нм. Наиболее сильно поглощают свет в области 260 нм ДНК и РНК. Белки наиболее сильно поглощают свет в области 280 нм, но в ней не наблюдается заметного мутагенного эффекта.
3. Анализ рекомбинантных ДНК. Выделенные фрагменты ДНК, которые соответствуют специфическим генам эукариот, можно встраивать в бактериальную хромосому и затем наблюдать за действием этих генов. Наличие в бактериальной клетке продукта эукариотического гена свидетельствует о том, что данный ген действительно присутствует и функционирует в этой клетке.
РНК – рибонуклеиновая кислота, имеет много общего со структурой ДНК, но отличается рядом признаков:
1. Углеводом РНК, к которому присоединяются азотистые основания, является рибоза.
2. В состав РНК, как и ДНК, входят азотистые основания аденин, гуанин, цитозин. Но РНК не содержит тимина, его место занимает урацил.
3. РНК – одноцепочечная молекула.
РНК бывают трех видов: матричные, рибосомные и транспортные.
Классы РНК:
1. Рибосомальные РНК – 80%, образуют в комплексе с белками рибосому, органоид, в котором происходит синтез первичной структуры белка.
2. Транспортные РНК – 15%, приносят аминокислоты в рибосомы, специфичность такого переноса обеспечивается наличием 20 типов тРНК, соответствующих 20 аминокислотам. В тРНК нуклеотидная цепь имеет пространственную структуру, похожую на лист клевера. Для всех молекул характерно наличие в «стебельке» листа определенной нуклеотидной последовательности, к которой присоединяется аминокислота. Противоположная этому концу часть образует петлю. Она содержит антикодон – три нуклеотида, строго специфичных для аминокислоты, которую переносит эта РНК. Аминокислота ковалентно связывается с тРНК при участии ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз.
3. Информационные (матричные) РНК – 5%, переносят информацию о структуре белка от ДНК к месту образования ДНК – к рибосомам, где они становятся матрицей для синтеза полипептидной цепи.
4. Гетерогенная ядерная РНК – около 1%, участвует в процессах сплайсинга (вырезания последовательностей, комплементарных интронам, из первичного РНК-транскрипта).
В физиологических условиях (рН среды = 7,35, температура = 37°С) ДНК представляет собой «мертвый» кодирующий материал. Функционирование и сохранность ДНК в ряду поколений обеспечивается работой многочисленных ферментов, осуществляющих фундаментальные генетические процессы в клетке. К ним относятся:
· Репликация ДНК (удвоение генетического материала).
· Транскрипция (переписывание или считывание) генетической информации.
· Трансляция (передача) генетической информации.
· Биосинтез белка.
· Рекомбинация (перегруппировка) ДНК.
· Репарация (восстановление структуры ДНК).
Репликация ДНК
При размножении любых форм жизни происходит увеличение числа молекул ДНК. Из одной клетки, образовавшейся в результате слияния гамет, получаются тысячи, миллионы клеток тела. Каждая исходная молекула ДНК дает начало огромному числу молекул ДНК с сохранением в неизменном виде всех ее особенностей. Это происходит в процессе репликации, при которой информация, закодированная в последовательности оснований молекула родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК.
Репликация ДНК – это процесс, в результате которого молекула ДНК удваивается и образуются две ее копии. Репликация контролируется целым рядом ферментов.
1. ДНК-полимеразы осуществляют синтез ДНК (удлинение цепи).
2. РНК-полимераза осуществляет транскрипцию РНК.
3. Хеликаза, топоизомераза – расплетают двойную цепь ДНК.
4. Эндонуклеазы – ферменты, разрезающие двунитевую молекулу ДНК.
5. ДНК-лигазы – ферменты, катализирующие образование фосфодиэфирной связи между 3´ и 5´-концами молекулы ДНК.
Инициация биосинтеза дочерних ДНК требует предварительного синтеза на материнской ДНК затравочного праймера со свободной гидроксильной группой. Праймер содержит около 50 нуклеотидных остатков со свободной гидроксильной группой, он синтезируется комплементарно матрице ДНК при участии РНК-полимеразы.
Репликация начинается с разрыва водородных связей в некоторых участках ДНК. Образуются так называемые «репликационные вздутия», которые постепенно расширяются в обе стороны от одной точки инициации (начала). Репликация начинается во множестве точек, это необходимо для своевременной репликации генома прокариот. Эукариотическая полимераза синтезирует около 50 нуклеотидов в секунду, если бы была только одна точка репликации, для полной репликации генома потребовался бы месяц, на самом деле у некоторых эукариот этот процесс занимает около 3 минут.
По мере продвижения вдоль молекулы эти вздутия сливаются, молекула ДНК раскручивается. Образовавшиеся отдельные полинуклеотидные нити служат матрицей для образования новых цепей. При участии фермента ДНК-полимеразы из имеющихся в среде отдельных нуклеотидов начинают строиться новые, комплементарные исходным нитям цепочки. Они соединяются водородными связями с нуклеотидами первоначальной ДНК таким образом, что аденин всегда оказывается напротив тимина, а гуанин – напротив цитозина. В результате воспроизводится точная последовательность пар нуклеотидов исходной ДНК.
Репликация осуществляется одновременно, на обеих полинуклеотидных цепочках, но с разной скоростью. Формирование одной цепи (лидирующей) идет непрерывно и быстро. Другая отстающая цепь образуется первоначально отдельными короткими фрагментами (фрагменты Оказаки). В последующем эти фрагменты соединяются между собой ферментом ДНК-лигазой.
После окончания репликации на одной родительской ДНК образуются две дочерние, которые являются точными копиями исходной молекулы и представляют собой двойные спирали.
Особое значение процесса репликации заключается в обеспечении передачи вновь образующимся молекулам ДНК наследственной информации, которая определяется последовательностью нуклеотидов. Репликация происходит в S-периоде митотического цикла клетки. В молекулах, образовавшихся после репликации, копируется структура исходной ДНК. При этом хромосомы оказываются состоящими из двух хроматид. В процессе деления каждая из вновь образовавшихся клеток получает по одной хроматиде от каждой хромосомы, т.е. по копии исходной ДНК. В результате наследственная информация в виде последовательности нуклеотидов передается от материнской клетки к дочерним.
Репарация ДНК
В любой клетке под влиянием различных факторов в ДНК ежедневно происходят тысячи случайных изменений. Среди множественных случайных замен оснований лишь одна та тысячу приводит к мутации. Все остальные повреждения очень эффективно ликвидируются в процессе репарации ДНК (устранение ошибок в ДНК). Основной путь репарации включает три этапа:
1. Измененный участок поврежденной цепи ДНК распознается и удаляется с помощью ДНК-репарирующих нуклеаз. На этом месте возникает брешь.
2. Днк-полимераза и гликозидазы заполняют эту брешь, присоединяя нуклеотиды один за другим, копируя информацию с целостной нити.
3. ДНК-лигаза «сшивает» разрывы и завершает восстановление молекулы.
Строение и функции белков
В настоящее время известно, что именно ДНК несет в себе информацию об особенностях строения и функционирования организма. Единственные молекулы, которые синтезируются под прямым контролем генетического материала клетки и выполняют главную роль в функционировании живого организма, белки. Структура и свойства этих сложных молекул обеспечивают многообразие живой материи.
Белки – сложные органические соединения, состоящие из аминокислот. Мономерами белков являются 20 различных аминокислот. Аминокислоты – бесцветные кристаллические твердые вещества, растворимые в воде. В отличие от растений, животные не могут синтезировать все необходимые для себя белки, поэтому они должны получать их готовыми с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми.
Все аминокислоты, кроме пролина, имеют одинаковую структуру, включая аминогруппу (-NH2), присоединенную к углероду, и карбоксильную группу (-COOH). К этому атому присоединяется боковая группа – радикал, который имеет специфические свойства для каждой аминокислоты.
Аминокислоты могут образовывать химические связи с различными группами, за счет выделения молекул воды при взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группы другой. Такая связь называется пептидной. Если соединяется много аминокислот, образуется полипептид. Полипептиды могут включать от ста до нескольких тысяч аминокислот. Белковая молекула может состоять из одной или нескольких полипептидных цепей (у инсулина 2 цепи 20 и 31 аминокислотных остатка, миоглобин из 153 аминокислот, коллаген – около 1000).
Классификация белков по химическому составу:
1. Простые (состоят только из аминокислот):
· Альбумины – растворимы в воде, разбавленных солевых растворах (сывороточный альбумин крови),
· Глобулины – нерастворимы в воде, растворимы в разбавленных солевых растворах – антитела крови,
· Гистоны – растворимы в воде, нерастворимы в водных растворах аммиака (связаны с нуклеиновыми кислотами в нуклеопротеидах клетки),
· Склеропротеины – не растворяются в воде и большей части других растворителей – кератин волос, кожи, перьев, коллаген сухожилий, эластин связок.
2. Сложные (состоят из глобулярных белков и небелкового материала):
· гликопротеины (белок + углевод) – плазма крови,
· нуклеопротеины (белок + нуклеиновая кислота) - хромосомы,
· хромопротеины (белок + пигмент) – гемоглобин (гем – железосодержащий пигмент),
· липопротеины (белок + липид) – компонент клеточных мембран.
Каждый белок имеет свою особую геометрическую форму, или конформацию. Структура белков рассматривается обычно в четырех разных уровнях – первичной, вторичной, третичной и четвертичной.
Первичная структура белка представляет число и последовательное расположение аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидные цепи. В организме человека свыше 10 000 различных белков, и все они построены из одних и тех же 20 аминокислот. Аминокислотная последовательность белка определяет его биологическую функцию. Первые исследования по первичной структуре белка – Ф. Сэнгер, гормон инсулин.
Вторичная структура. Для всякого белка формирование водородных связей между отдельными аминокислотными остатками приводит к образованию спирали – вторичной структуры белка. Это так называемая альфа-спираль, сформированная множеством водородных связей, организующихся между амино- и карбоксильными группами. Такую конформацию имеет белок кератин, являющийся структурным белком волос и ногтей.
Третичная структура. У большинства белков в полипептидной цепи аминокислоты с большим радикалами свернуты относительно друг друга в компактную глобулу. Подобный способ свертывания спирали в глобулу называется третичной структурой белка.
Четвертичная структура. Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле за счет гидрофильных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей. Такой способ совместной упаковки и укладки полипептидных цепей называется четвертичной структурой белка. Такая структура имеется у гемоглобина.
Классификация белков по структуре:
| Фибриллярные | Смешанные | Глобулярные |
| не растворяются в воде, наиболее важная – вторичная структура. Длинные параллельные полипептидные цепи, образующие волокна. Функции: структурная (в составе соединительной ткани – коллаген (сухожилия, межклеточное вещество костной ткани), миозин (в мышечных волокнах), кератин (волосы, ногти). | Имеют фибриллярную природу, но растворимы в воде. Например, фибриноген превращается в нерастворимый фибрин при свертывании крови. | наиболее важная третичная структура. Полипептидные цепи свернуты в компактные глобулы. Растворимы, легко образуют коллоидные суспензии. Функции ферментов, антител (глобулины сыворотки крови определяют иммунологическую активность); играют важную роль в протоплазме, удерживая воду и другие вещества. |
Функции белков.
Белки выполняют следующие функции:
• ферментативную. Белки-ферменты служат катализаторами химических реакций. Обеспечивают слаженную работу клеток, ускоряя во много раз биохимические реакции. (например, амилаза, расщепляет углеводы, трипсин катализирует гидролиз белков);
• структурную (например, входят в состав мембран клетки. Коллаген входит в состав межклеточного вещества соединительной и костной ткани. Основным компонентом волос, ногтей, перьев, рогов и копыт является кератин);
• рецепторную (например, родопсин, способствует лучшему зрению);
• транспортную (например, гемоглобин, переносит кислород или диоксид
углерода, миоглобин переносит кислород в мышцах);
• защитную (например, иммуноглобулины, участвуют в образовании
иммунитета; фибриноген и протромбин участвуют в свертывании крови, предохраняя организм от кровопотери, антитела образуют комплексы с белками);
• двигательную (например, актин, миозин, участвуют в сокращении мышечных
волокон);
• гормональную (например, инсулин, превращает глюкозу в гликоген);
• энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,1 ккал энергии).
Понятие и структурная организация гена
Каждый вид живых организмов обладает специфическим набором белков, который и определяет уникальность этого вида. Все свойства живого организма определяются его белковым составом. Структура каждого белка определяется последовательностью аминокислотных остатков.
Ген – участок молекулы ДНК, характеризуемый специфической для него последовательностью нуклеотидов – набора нуклеотидов, представляющий единицу функции, отличной от функций других генов, и способный изменяться путем мутирования.
Мутации могут возникать в любых точках в пределах гена. Но в функциональном отношении ген представляет собой целостную единицу: всякое изменение нуклеотидов в гене или потеря его части либо полностью его инактивирует, либо изменяет его генетическую функцию.
Гены человека представляют собой чередование смысловых участков, кодирующих полипептидную цепь, которые называют экзонами, и некодирующих – интронов и фланкирующие последовательности, расположенные до и после кодирующей части. Кодирующая часть большинства генов находится в пределах 1-3 тыс. пар оснований, что соответсвует белковому продукту из 300-1000 аминокислотных остатков. Особенно много интронов в гене, кодирующем одну из субъединиц коллагена, экзоны составляют всего 15% длины этого гена.
Межгенные участки ДНК называют спейсерами. Спейсеры состоят из повторяющихся последовательностей ДНК различных типов и уникальных нетранскрибируемых последовательностей, не являющихся генами. Их функция неизвестна.
Выделяют три основные группы генов:
1. РНК-кодирующие гены, которые кодируют образование тРНК и рРНК и регуляторные РНК, влияющие на функции других генов.
2. Геномные гены, которые кодируют белки. Делятся на:
А. гены, обеспечивающие жизнедеятельность клетки.
Б. гены терминальной дифференцировки, определяющие специфические свойства клеток в определенных тканях, кодирующие белки. Эти гены характерны для зрелых, функционально активных клеток (гемоглобин в эритроцитах).
В. Гены, обеспечивающие образование белков, способных регулировать работу других генов, соединяясь с их регуляторными областями.
3. Митохондриальные гены.
Все соматические клетки организма несут один и тот же набор генов, содержат одинаковое число хромосом, несущих одни и те же аллели. Тем не менее клетки многоклеточного организма очень разнообразны по структуре и функциям. В одной и той же клетке скорость синтеза белков может варьировать в зависимости от обстоятельств.
Данные о механизмах, регулирующих активность генов в клетке, были впервые получены в 1961 г. Жакобом и Моно. На основании своих наблюдений они предложили механизм, объясняющий индукцию и репрессию, - механизм «включения» и «выключения» генов.
Генетические инструкции, определяющие аминокислотную последовательность белков, заключены в структурных генах. Активность этих генов регулируется еще одним геном, который называю геном-регулятором, который препятствует переходу структурных генов в активное состояние. Ген-регулятор содержит генетическую информацию для синтеза репрессора, который препятствует активности структурных генов. Репрессор действует на структурные гены не прямо, а воздействуя на участок, примыкающий к структурным генам, называемый оператором. Репрессор представляет собой особый аллостерический белок, который либо связывается с оператором, подавляя его активность, либо не связывается.
Согласно модели общей структуры гена человека конкретная длина гена – это участок ДНК, имеющий слева 5’- конец (начало гена), а справа 3’- конец (конец гена), между которыми расположены экзоны – колирующие последовательности ДНК и интроны – некодирующие последовательности ДНК.
Ген как сумма кодирующих последовательностей ДНК является только частью генетического локуса, в который также входят интроны, разделяющие экзоны, различные небольшие регуляторные участки, необходимые для инициации или терминации транскрипции и трансляции, влияющие на их интенсивность и точность (промотор – участок начала транскрипции, энхансеры – усилители транскрипции, сайленсеры – ослабители транскрипции), 5’- и 3’- нетранслируемые области.
В начале каждого гена, до его смысловой части, представленной экзонами, находятся участки, которые обеспечивают регуляцию работы гена. К числу регуляторных участков, одинаковых для всех генов, относятся ТАТА- последовательности, где чередуются тимин и аденин ("ТАТА-БОКС"). Этот участок лежит на 30 нуклеотидов левее места начала считывания гена. Установлено, что РНК- полимераза, фермент осуществляющий транскрипцию, так ложится на ДНК, что ее опознающая часть закрывает "TATA-БОКС", а ее активный центр оказывается над первым считываемым нуклеотидом. Далее по длине гена следует промоторный участок, который способствует правильной установке рамки считывания нуклеотидов, поскольку процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. За промоторным участком следует палиндром ("перевертыш"), или инвертированный повтор. Этот участок ДНК одинаково читается в обоих направлениях и имеет центральную точку, относительно которой последовательность остается одинаковой в обеих цепях ДНК. Следовательно, такой участок ДНК имеет две оси симметрии : вдоль и поперек. Важное свойство палиндромов — возможность образовывать шпильки в РНК или структуры креста в ДНК за счет комплементарного взаимодействия не между двумя нитями ДНК, а между нуклеотидами каждой цепи. В результате этого палиндром ДНК превращается в крест, что делает невозможным дальнейшее продвижение фермента РНК-полимеразы, и процесс транскрипции прекращается, если рамка считывания установлена неверно.
В последнее время описаны специфические регуляторы работы некоторых генов — энхансеры. Они расположены впереди гена на расстоянии в сотни и тысячи нуклеотидных пар от него. У эукариот существуют специальные регуляторные белки, опознающие энхансер и присоединяющиеся к нему, в результате чего происходит активация работы гена.
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 143; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!