Ген, классификация и организация генов

Элементарными дискретными единицами наследственности являются гены. Воспроизведение и действие генов непосредственно связано с матричными процессами. В настоящее время ген рассматривается как единица функционирования наследственного материала. Химической основой гена является молекула ДНК.

Гены, как единицы функции наследственного материала, разделяются на структурные, регуляторные и гены-модуляторы.

Структурные гены содержат информацию о структуре белка (полипептидов) и рибонуклеиновых кислот (рибосомальной и транспортной), при этом генетическая информация реализуется в процессе транскрипции и трансляции или только транскрипции.У человека насчитывается около 30 000 структурных генов, но только часть из них экспрессирована.

Жизнедеятельность клеток обеспечивается небольшим набором функционирующих генов, среди них различают гены «домашнего хозяйства» - ГОФ (гены общеклеточных функций)и гены «роскоши» - ГСП (гены специализированных функций). ГОФ обеспечивают осуществление универсальных клеточных функций, которые необходимы для деятельности всех клеток (гены гистонов, гены р-РНК и т-РНК и др.). ГСП: 1- избирательно экспрессируются в специализированных клетках, определяя их фенотип (гены глобинов, иммуноглобулинов и др.);

2 - функционируют при определенных условиях внешней среды и представляют гены “адаптивного ответа”. Принадлежность к ГОФ или ГСП определяется структурой инициатора.

Регуляторные гены (ген - регулятор лактозного оперона, ген TFM и др.) координируют активность структурных генов на уровне клетки, а также дерепрессию и репрессию генов на уровне организма. Наряду с регуляторными генами, имеются регуляторные последовательности (промотор, оператор, терминатор, энхансеры, сайленсеры, элемент перед промотором), функция которых выявляется во взаимодействии со специфическими белками.

Гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов, изменяя их функциональную активность.

Структурные особенности наследственной конституции прокариотов

Рис.2. Бактериальный геном прокариот.

Бактериальный геном прокариотов представлен генетическими элементами, обеспечивающими репликативную функцию – репликонами. Для бактериальной клетки это – хромосома и плазмиды. Чаще всего они имеют кольцевую форму, хотя возможно и линейное строение молекул-носителей ДНК.

В качестве примера можно взять геном спирохеты, вызывающей клещевой боррелиоз. Геном спирохеты Borrelia burgdorferi представлен линейной хромосомой и плазмидами, часть которых также линейна по строению.

Геномы эукариотов и бактерий значительно различаются по количеству генов и, соответственно, размеру – от нескольких тысяч у бактерий до миллиардов пар оснований у эукариотов, в том числе человека. Геномы вирусов и бактерий представляют класс компактных геномов, не превышающих нескольких миллионов пар оснований.

Этапы биосинтеза белка

Биосинтез белка в организме эукариот происходит в несколько этапов.

Транскрипция – это процесс синтеза и-РНК на матрице ДНК. Цепи ДНК в области активного гена освобождаются от гистонов. Водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями разрываются. Основной фермент транскрипции РНК-полимераза присоединяется к промотору – специальному участку ДНК. Транскрипция проходит только с одной (кодогенной) цепи ДНК. По мере продвижения РНК-полимеразы по кодогенной цепи ДНК рибонуклеотиды по принципу комплементарности присоединяются к цепочке ДНК, в результате образуется незрелая про-и-РНК, содержащая как кодирующие, так и некодирующие нуклеотидные последовательности (рис. 3).

Рис. 3. Схема транскрипции (синтеза и-РНК на матрице ДНК).

2. Затем происходит процессинг– созревание молекулы РНК. На 5-конце и-РНК формируется участок (КЭП), через который она соединяется с рибосомой. Ген, т.е. участок ДНК, кодирующий один белок, содержит как кодирующие последовательности нуклеотидов – экзоны, так и некодирующие – интроны. При про-цессинге интроны вырезаются, а экзоны сшиваются. В результате на 5-конце зрелой и-РНК находится кодон-инициатор, который первым войдет в рибосому, затем следуют кодоны, кодирующие аминокислоты полипептида, а на 3-конце – кодоны-терминаторы, определяющие конец трансляции. Цифрами 3 и 5 обозначаются соответствующие углеродные атомы рибозы.

Транскрипция и процессинг происходят в ядре клетки. Затем зрелая и-РНК через поры в мембране ядра выходит в цитоплазму, и начинается трансляция.

3. Трансляция– это процесс синтеза белка на матрице и-РНК. В начале и-РНК 3-концом присоединяется к рибосоме. Т-РНК доставляют к акцепторному участку рибосомы аминокислоты, которые соединяются в полипептидную цепь в соответствии с шифрующими их кодонами. Растущая полипептидная цепь перемещается в донорный участок рибосомы, а на акцепторный участок приходит новая т-РНК с аминокислотой. Трансляция прекращается на кодонах-терминаторах.

Начало процесса трансляции определяет кодон-инициатор (АУГ, в ДНК – ТАЦ), кодирующий аминокислоту метионин. Этот кодон первым входит в рибосому. Впоследствии метионин, если он не предусмотрен в качестве первой аминокислоты данного белка, отщепляется.

Рис. 4. Трансляция (поцесс синтеза белка на матрице и-РНК).

Посттрансляционная модификация белков.

Фолдинг белков. Это свертывание полипептидной цепи в трехмерную структуру. Если белок состоит из нескольких субъединиц, то фолдинг включает и их объединение в одну макромолекулу. Фолдинг - это обязательный этап превращения полипептидной цепи, которая сходит с рибосомального конвеера, на функционально активный белок. В результате фолдинга у полипептида уменьшается свободная энергия, гидрофобные остатки аминокислот упаковываются преимущественно в середину молекулы, а гидрофильные остатки располагаются на поверхности белковой глобулы.

Пространственное строение белковой молекулы определяется прежде всего первичной структурой. Считается, что белок принимает строго определенную конфигурацию лишь на основе физико-химических взаимодействий своих функциональных групп.