Молеклярная структура генов.

· Ген – участок молекулы ДНК или РНК, характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, составляющий единицу функции других генов и способный меняться путем мутирования.

· Первичный продукт гена – белок, или полипептидная цепь, или РНК.

Строение гена.

1. Прокариоты: цистронное строение (характерна непрерывная последовательность нуклотидов, обеспечивающая кодирование коллинеарных (количество триплетов, соответствующее количеству аминокислот) последовательностей аминокислот в белке)

2. Эукариоты: мозаичное строение (содержат кодирующие участки – экзоны, некодирующие – интроны)

Реализация генетической информации в клетке.

Центральная догма молекулярной биологии:

Генетический код.

· Принцип генетического кодирования: одну аминокислоту кодирует три нуклеотида (триплет или кодон)

· Кодовая группа – кодон (триплет).

· 64 кодона: 61 – смысловые, 3 – нонсенс (стоп-кодоны, кодоны – терминаторы).

Репликация ДНК.

Самоудвоение молекулы ДНК.

· Полуконсервативный способ (матрицами для синтеза дочерней молекулы ДНК являются обе цепочки).

· Синтез на материальных цепочках идет антипараллельно. Новая цепь синтезатора всегда от 5’ к 3’ концу.

· Проходит от начала и до конца матрицы.

Этапы репликации.

· Фермент ДНК – геликаза, раскручивает материнскую спираль ДНК на две цепочки, образуется репликативная вилка (репликон).

· Цепочки ДНК фиксируются ДНК-связывающими белками.

· Белок праймаза синтезирует короткие полинуклеотидные послед. (затравки, краймеры)

· ДНК – полимераза синтезирует новые цепочки ДНК от 5' к 3’. Одна цепочка – лидирующая (синтез идет непрерывно), на другой (запаздывающая) синтез идет фрагментами.

· ДНК – полимераза удлиняет фрагменты, достаивая целую цепочку ДНК.

· ДНК – лигаза сшивает соседние участки.

Транскрипция.

Считывание генетической информации с ДНК на иРНК.

· В качестве матрицы выступает матричная цепочка материнской молекулы ДНК (3’ – 5’)

· Копируется небольшой участок матрицы – оперон (прокариоты); транскриптон (эукариоты), ограниченный промотором и терминатором.

· Синтез ведет фермент РНК - полимераза.

Этапы транскрипции:

1. РНК-полимераза соединяется с промотором.

2. РНК-полимераза разделяет цепочки ДНК, образуется транскрипционный глазок. Первым в строящуюся цепь включается пуриновый нуклеотид.

3. Удлинение цепи (синтез нуклеотидов) примерно 30 нуклотидов в секунду.

4. Терминация (с участием белковых факторов, которые способствуют отщеплению ДНК-полимеразы от матрицы).

После транскрипции у прокариот сразу проходит трансляция, у эукариот в ходе транскрипции образуются предшественники РНК.

Трансляция.

Синтез белка на рибосомах.

1. Активация аминокислот (свободные аминокислоты связываются с молекулами тРНК с образованием комплекса аминоацил – тРНК. На это затрачивается энергия АТФ).

2. Инициация (стартовым кодоном является кодон (-АУГ- : метионин) сборка активной рибосомы. К стартовому кодону матрицы иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы. Затем положение малой субъединицы уточняется путем присоединения 1 аминоацил тРНК. К образовавшемуся комплексу инициации присоединяется большая субъединица рибосомы. Рибосома имеет два центра: пептидный и аминоацильный. 1 аминокислота окажется в пептидном центре, а аминоацильный центр будет пустой. В один момент в рибосоме может быть 2 кодона.

3. Элонгация (удлинение пептидной цепи). Процесс имеет циклический характер. В свободный аминоацильный центр поступает новая аминокислота. Потом оттуда она переносится в пептидный центр и образуется дипептид. После образования пептидной связи между аминокислотой рибосома сдвигается по матрице ровно на один триплет. Пептидный центр будет занят дипептидил-тРНК; а аминоацильный снова будет пустым.

4. Терминация белкового синтеза (об окончании синтеза белка свидетельствует наличие нонсенс-кодонов в аминоацильном центре). Кодоны терминаторы распознают белковыми фактор терминации, что способствует отщеплению белковой молекулы от последней тРНК и дифференциации рибосомы на отдельные субъединицы. Синтезированная молекула белка, имеющая первичную структуру, далее поступает в комплекс Гольджи и ЭПС, где происходит формирование структуры белка (фоидинг). В комплексе Гольджи формируется комплекс белков.

№3.

· Ген – участок молекулы ДНК или РНК, характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, составляющий единицу функции других генов и способный меняться путем мутирования.

Функциональная организация геномов про- и эукариот.

Геном – генетический материал ядра в гаплоидном наборе хромосом.

Геном – суммарная длина молекулы ДНК в гаплоидном наборе хромосом.

Диплоидные организмы содержат 2 генома. Отцовский и матреинский получаются из половых клеток.

Функциональной единицей генома является ген.

1 – конститутивные.

2 – тканеспецифичные гены – работают только на определенных этапах онтогенеза.

3 – отвечают за синтез белков – регуляторов транскрипции.

Геном прокариот.

1. длина молекулы ДНК 1 мм.

2. Классы генов по их генопродуктам:

· Структурные (белки)

· Регуляторные (белки-репрессоры)

· Гены тРНК (молекулы тРНК)

· Гены ррНК (молекулы рРНК)

3. Информативная ёмкость генома от 2 до 4 тысяч генов.

Геном эукариот.

1. Суммарная длина молекулы ДНК человека – 187 см

2. Классы генов:

· Структурные

· Регуляторные

· Гены тРНК

· Гены рРНК

· Гистоновые гены (гистоновые белки)

Регуляторная, роль пространственная, организация ДНК в ядре.

3. Информативная ёмкость – около 30 тысяч генов

4. Избыточность ДНК в геноме – наличие дуплицирующихся генов.

Дуплицирующиеся гены эукариот.

· Уникальные – до 10 копий на геном (структурные гены)

· Умеренно повторяющиеся – 10²-10⁵ на геном (регул., гист., тРНК, рРНК)

· Многократно повторяющиеся – более 10⁵ на геном.

1. Обращенные повторы ((перевертыши, канендромы) вид крестов, выполняют регулирующую роль транскрипции и трансляции).

2. Тандемные повторы (короткие нуклеотиды, последовательно идущие рядом друг с другом, регуляторная роль).

3. Диспиргированные повторы (транспазоны (прыгающие гены), короткие, длинные; регуляция генной активности).

4. Псевдогены (молчащие гены; до 20 тысяч генов в геноме; гены обоняния).

Экспрессия генов у про- и эукариот. (работа генов)

Экспрессия генетической информации в клетке обуславливает все процессы её жизнедеятельности, экспрессируется не вся генетическая информация, а только её часть.

У прокариот экспрессия генов включает 2 этапа: транскрипцию и трансляцию. Эти процессы сопряжены во времени и пространстве. (в цитоплазме)

У эукариот экспрессия генетической информации проходит в три этапа:

1. транскрипция (образуется первичный транскрипт, преинформационная РНК или пре-и-РНК),

2. процессинг (созревание первичного транскрипта и образование зрелой и-РНК),

3. трансляция (синтез белков);

1 и 2 этап – в ядре, 3 – в цитоплазме.

Процессинг (созревание)

· Пре-и-РНК содержит участки, комплементарные экзонам и антронам.

· Зрелая иРНК содержит участки, принадлежащие только экзонам.

Процессинг у эукариот осуществляется специальными ферментами экзо- и эндонуклеазами.

Этапы процессинга:

1. Фермент рестриктаза расщепляет пре-и-РНК на фрагменты. Точность разрезания цепочки пре-и-РНК осуществляется двумя механизмами.

А. в начале и в конце каждого интрона стоят нуклеотидные последовательности: в начале ГУ, в конце АГ;

За узнавание этих участков отвечают малые я дерные РНК, то есть 2 молекулы связываются в начале и конце

С нарушением механизма сплачинга (сшивания, вырезания) связано заболевание бета-талассимия.

В. Интроны удаляются, экзоны сшиваются ферментами

2. Образование Кэп – структуры в области 5’ конца матрицы (колпачок; рибосома узнает место на матрице в обл. кодона).

3. Образование Poly-H фрагмента (хвост) в области 3’-конца (регулирует число циклов трансляции)

4. Роли модификации концов иРНК образование информосомы и выход зрелой иРНК из ядра через поры.

Важным эволюционным приобретением в организации генома человека и большинства эукариот явилась возможность альтернативного сплансинга.

Зрелая иРНК содержит только кодирующие участки генов. На базе 1го гена может синтезироваться несколько белков. 1 ген может кодировать 3 белка.

Регуляция генов активности: общую теорию регуляции работы генов разрабатывают французские ученые Жакоб и Моно.

Сущность теории сводится к выключениям или включениям генов, как функциональных единиц генома и возможности или невозможности проявления их способности передавать генетическую информацию о структуре белка.

Регуляция у прокариот.

Гены, контролирующие синтез белков-ферментов, катализирующих ход последовательных биохимических реакций первой метаболической цепи объединяются в структурно-функциональную единицу траскрипции: оперон. В состав оперона входят промотер (участок ДНК, к которому присоединяется фермент ДНК – полимераза, осуществляющий транскрипцию), оператор (участок ДНК, к которому присоединяется белок-репрессор), структурные гены.

Лактозный оперон кишечной палочки.

Принцип регуляции активности оперона.

Индуцибельные опероны (регуляция происходит по типу индукции по прямой связи; катализируют. Регулятором выступает исходный продукт – субстрат.

Репрессибельные опероны (регуляция по типу репрессии посредством отрицательной обратной связи и метаболит. тормозит. реакции, ведущей к его образованию. Регулируют процессы синтеза (анаболизма), поступающих в клетку веществ).

1. При отсутствии в клетке лактозы белок репрессор связывается с оператором блокируя работу структурных генов.

2. При поступлении в клетку лактозы белок репрессор связывается с ней и уже не может блокировать оператор. РНК-полимераза свободно проходит по матрице и считывает информацию со структурных генов.

Регуляция генной активности у эукариот.

Регуляция экспрессии генов у эукариот проходит на всех этапах реализации генной информации. На процессы включения и выключения генов влияют различные хромосомные перестройки, мобильные генетические элементы, изменяющие эффект положения гена.

1. На уровне транскрипции в основе регуляции на этапе положено взаимодействующее определение участков ДНК с белками (транскрипционными факторами), единицей транскрипции является транскриптон. Основная направленность регул. Тканеспецифическая регуляция связана с наличием регуляторных белков, контролирующих работу структурных генов.

· Наличие на матрице ДНК боксов: ТАТА, ГЦ, ЦААТ. (для того, чтобы РНК-полимераза присоединилась к промотеру необходимо связь с боксами определенных белков)

· Наличие энхансеров (усиливают) и сайленсеров (замедляют)

· Белки-гормоны (гормоны выполняют роль индукторов)

· Белки-гистоны

2. Регуляция на уровне процессинга (малые ядерные РНК)

3. На уровне траспортировки и стабильности и-РНК

4. На уровне трансляции включаются механизмы отбраковывания поврежденных иРНК

· Дифференциальная активность А – А – тРНК – синтетаз.

· Гормональная регуляция

5. На уровне посттрансляционной модификации белка (фолдинг!)

№4.