3. Будова гена про- та еукаріотів

Будова гена прота еукаріотів. Гени структурні, регуляторні, т-

РНК, р- РНК.

Організація потоку енергії у клітині. Регуляція експресії генів .

Молекулярні механізми мінливості в людини.

Під терміном "ген" розуміють послідовність нук-леотидів у ДНК, яка обумовлює певну функцію в організмі або забезпечує транскрипцію іншого гена.Отже, одна і та ж ДНК-послідовність може кодувати не один, а декілька різних поліпептидів.

Більшість генів мають до 50000 пар нуклео-тидів.

Ген як одиниця генетичної інформації забезпечує такі функції:

•зберігання спадкової інформації;

•керування біосинтезом білків та інших сполук у клітині;

•редуплікації ДНК і РНК (подвоєння генів під час поділу);

•репарації (відновлення) пошкоджених ДНК і РНК;

•забезпечення спадкової мінливості клітин і організмів;

•контроль за індивідуальним розвитком клітин і організмів;

•явище рекомбінації.

Клітини функціонують завдяки скоординованій дії генів. Так, у геномі людини у виконанні функцій бере участь різна кількість генів: синтез РНК і білків -22 %,

обмін (метаболізм) - 17 %, клітинний поділ -12 %, клітинні сигнали - 12 %, захист клітини -12%; клітинні структури - 8 %.

Гени утворюють функціональні групи, які забезпечують синтез первинного продукту: ферментів, модуляторів функцій білків, рецепторів, транскрипційних факторів, внутрішньоклітинного матриксу, позаклітинного матриксу,

трансмембранних переносників, гормонів, імуноглобулінів.

Найбільшу функціональну категорію складають гени, які кодують утворення ферментів (31 % загального числа), на частку модуляторів функції білків припадає

13,6 % генів, на інші категорії - менше 10 % загального числа генів.

Ген є елементарною структурно-функціональною одиницею спадковості, що визначає розвиток певної ознаки клітини або організму. Внаслідок передачі генів у ряді поколінь забезпечується спадкоємність ознак батьків.

Г. Мендель був першим, хто в 1865 р. стверджував про одиницю спадковості,

він назвав її "спадковим фактором". Слово "ген" було введено В. Йоган-сеном у

1909 р. для позначення одиниці спадковості, що займає особливе місце (локус) у

хромосомі. У 1948 р. Дж. Бідл і Е. Тейтем запропонували гіпотезу "один ген - один білок" і розглядали ген як одиницю спадкового матеріалу, що містить інформацію для утворення одного білка. Відповідно до сучасної концепції, гени -

це ділянки ДНК, що мають унікальну послідовність нуклеотидів, які кодують певні ІРНК, тРНК або рРНК. За допомогою трьох різновидів РНК відбувається синтез білків, які здійснюють метаболізм і зумовлюють розвиток ознак. Ген — це мінімальна кількість спадкового матеріалу, що необхідний для синтезу певної РНК. Мінімальні за розміром гени складаються з кількох десятків нуклеотидів,

наприклад, гени тРНК. Гени великих макромолекул рРНК та ІРНК містять кілька сот і навіть тисяч нуклеотидів. Наявність генів виявляється за присутності певних білків клітини або ознак організму.

Більша частина генів клітин знаходиться в репресованому (неактивному) стані.

Приблизно 5-10 % генів дерепресовані (активні) і можуть бути транскрибовані.

Кількість і якість функціонуючих генів залежить від тканинної належності клітин,

періоду їх життєвого циклу і стадії індивідуального розвитку.

Будова гена еукаріотів у хромосомах.

Кожна інтерфазна хромосома має одну молекулу ДНК, що містить велику кількість гені. Геном людини містить 3,5 х 109 нуклеотидних пар, яких достатньо для утворення 1,5 млн. генів. Од-нак дослідження показують, що організм людини має приблизно 35000-40000 генів. Це означає, що в організмі використовується тільки близько 1 % нуклеотидних послідовностей ДНК, тільки 1 % записаної інформації. Значна частина геному використовується для здійснення процесів ембріонального розвитку, диференціювання, росту і надалі не експресується.

Інша частина надлишкової ДНК входить до складу інтронів. І ще більша частина

ДНК подана численними повторами послідовностей, що не мають змісту

(сателітна ДНК) ). Таким чином, ДНК еукаріотів можна розділити на два типи послідовностей нуклеотидів. Це неповторювані (унікальні) та повторювані послідовності. До першого типу відносяться гени, що кодують білки. Повто-

рювані послідовності зустрічаються з частотою від 2 до 107 на одну клітину. У

ссавців більше половини геномної ДНК належить до типу унікальних по-

слідовностей.

Гени в ДНК розташовані у лінійному порядку. Кожний ген має своє місце розташування (локус). Теломерні та центромерні ділянки хромосом не містять генів. Аналогічне розташування алелів характерне для гомологічної хромосоми.

За способами організації нуклеотидів у ДНК, її можна розділити на такі фрагменти: 1) структурні гени; 2) регуляторні гени; 3) сателітна ДНК; 4) спейсерна ДНК; 5)кластери генів;6)повторювані гени.

Структурна організація нуклеотидних послідовностей (генів) у ДНК: 1 - повторювані групи

(кластери) структурних генів (наприклад, гістонових білків); 2 - міжгенна (спейсерна) ділянка; 3 - ділянка з великою кількістю повторів (сателітна ДНК); 4 - ділянки регуляції активності структурного гена (регуляторний ген); 5 - структурний ген; Є - екзони; 7 - інтрони; 8 - ДНК; 9 - повторювані гени.

У залежності від структури та функцій нуклео-тидні послідовності можуть бути кількох типів.

Структурні гени несуть інформацію про структуру певних поліпептидів. Із цих ділянок ДНК транскрибується ІРНК, яка спрямовує синтез білків. Регуляторні

гени контролюють і регулюють процес біосинтезу білка. Сателітна ДНК містить велику кількість повторюваних груп нуклеотидів, що не мають змісту і не транскрибуються. Поодинокі гени серед сателітної ДНК, звичайно, мають

регуляторну або посилювальну дію на структурні гени. Кластери генів - це групи різних структурних генів у певній ділянці хромосоми, об'єднані загальними функціями. Наприклад, кластери п'ятьох різних гістонів повторюються 10-20

разів. Між такими кластерами знаходяться великі спейсерні ділянки, що не транскрибуються. їх роль до кінця не з'ясована.

Повторювані гени - один і той самий ген багаторазово повторюється

(декілька сотень раз); не відокремлюючись один від одного, вони створюють тандеми. Наприклад, гени рРНК.

Будова генів еукаріотів. Встановлення структури генів еукаріотів є одним із головних відкриттів кінця XX ст. Доведено, що структурний ген, який кодує білок, має дуже складну будову. Розглянемо принцип його організації на прикладі гена (3-ланцюга гемоглобіну . На початку гена розташовані ділянки регуляції гена.

Спочатку розташована ділянка промотора, відповідальна за приєднання РНК-

полімерази та наступної ініціації транскрипції. Неспецифічні ділянки регуляції називають TATA-БОКС, що складається з багаторазово повторюваного тиміну й аденіну. Встановлено, що РНК-полімераза приєднується до цієї послідовності так, що її активний центр розташовується над першим нуклеотидом, що зчитується. Ця ділянка складається із сайту-розпізнавання, сайту-зв'язування і сайту-ініціації.

Комбінація нуклеотидів у промоторі специфічна і при порушенні рамки зчитування утворює "стоп"-кодони, що призводить до припинення транскрипції. У ділянці промотора розташований оператор, який може приєднувати фактори регуляції транскрипції. Далі розташована КЕП-послідовність ТТГЦТТАЦ, на якій ініціюється транскрипція й утворюється 5'-початкова ділянка РНК (сайт-ініціації транскрипції). Згодом розташований кодон ТАЦ (сайт-ініціації трансляції)

з'являється в утвореній ІРНК. Між сайтом транскрипції і сайтом трансляції лежить проміжна ділянка ДНК, що складається з 50 пар основ і називається лідерною по-

слідовністю. Далі з'являється частина структурного гена, що складається з екзонів і інтронів. Спочатку розташований екзон, що містить 90 пар основ, які кодують з першої по ЗО амінокислоти (3-лан-цюга гемоглобіну. Далі знаходиться інтрон, що складається із 130 пар основ, він не кодує амінокислоти. За ним

міститься екзон, що складається із 222 пар основ, що кодують амінокислоти з 31

по 104. Далі розташований інтрон, що складається з 850 пар основ, за ним екзон, що містить 126 пар основ, які кодують амінокислоти 105-146. Після цього

- ко-дон-термінації трансляції ТАА. Потім трейлер і сайт поліаденілування ААТААА, який необхідний для приєднання до РНК-транскрипту "хвоста" полі-

А, який складається приблизно з 200-300 аденілових залишків. Ця ділянка ДНК необхідна для припинення транскрипції. Послідовність термінатора транскрипції починається відразу за полі-А ділянкою і складається приблизно із 1000

нуклеотидів. Ця послідовність разом із полі-А зупиняє процес транскрипції. У

межах послідовності транскрибуючого З'-кінця ДНК на відстані 600-900

нуклеотидів.

Транспортна РНК (тРНК). Молекули тРНК утворюються на спеціальних генах. Транспортні РНК короткі, однониткові, мають форму листка конюшини завдяки комплементарному сполученню основ на різних ділянках ланцюга, склада-

ються з невеликого числа нуклеотидів - 75-90. Від загальної маси РНК на тРНК припадає близько 10-15 %. Молекули тРНК переносять до місць синтезу білків тільки відповідні їм амінокислоти з цитоплазми. Кожній амінокислоті відповідає своя тРНК внаслідок особливостей нуклеотидної послідовності та просторової структури. Молекули тРНК мають чотири важливі ділянки: а) транспортну; б)

антикоддон; в) ділянку приєднання фермента; г) ділянку зв'язування з рибосомою.

До транспортної ділянки приєднується специфічна амінокислота. Вона утворена двома комплементарними кінцевими ділянками РНК, 3'-кінець якої складається з семи пар основ, він довший і формує одноланцюгову ділянку, що закінчується послідовністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цієї групи приєднується амінокислота, що транспортується.

Будова молекули тРНК: 1 петля 1,2- петля 2; 3 - петля 3; 4 - акцепторний кінець; 5 - ОН 3'- кінець; 6-5'-кінець; 7-антикодон; 8 - модифікаційні нуклеотиди.

Антикодон складається з п'яти нуклеотидів. У центрі -три специфічних рибонуклеотиди (триплет). Азотисті основи антикодона мають комплементарний триплет на ланцюгу іРНК, цей триплет називається кодоном. У період синтезу білка антикодон знаходить відповідний йому кодон на ІРНК і тимчасово приєднується до нього водневими зв'язками.

Ділянка приєднання ферменту - це спеціальна частина молекули тРНК для специфічного зв'язування з ферментом аміноацил-тРНК-синтетазою, що каталізує приєднання амінокислоти до молекули тРНК.

Ділянка зв'язування з рибосомою - особлива частина молекули (певна послідовність нуклеотидів) тРНК, що потрібна для прикріплення до рибосоми.

Ліворуч наведена схема спарювання основ у відповідних ділянках молекули

(структура "конюшинового листка"), а праворуч - тривимірна модель конфігурації молекули. Один кінець молекули (акцепторний) призначений для приєднання амінокислот, а другий містить антикодон, що складається з трьох нуклеотидів.

Рибосомальна РНК (рРНК). Рибосомальна РНК утворюється на спеціальних генах ДНК в ядерці. Рибосомальна РНК - велика одноланцюго-ва розгалужена молекула, що включає 3000-5000 нуклеотидів. Із загальної маси РНК на її частку припадає до 90 %. У каріоплазмі рРНК і різні білки об'єднуються у співвідношенні 1:1 для утворення малих і великих субодиниць рибосом.

Рибосомальна РНК утворює структурний каркас рибосоми, їй належить важлива роль у процесі синтезу білків. Рибосомальна РНК забезпечує зв'язування іРНК з рибосомами за допомогою певних послідовностей нуклеотидів. Таким чином встановлюється початок і рамка зчитування інформації з іРНК. Багато білків рибосом виконують не тільки структурну, але й ферментативну функцію.

Таким чином, чотири різновиди нуклеїнових кислот мають багато спільного в будові, але виконують різноманітні функції.

Генетичний апарат — це тонко регульована система. Відомо, що гени не про-

являють постійної активності. Ген перебуває в неактивному стані, але коли є необхідність, він активується, а це, зокрема, зумовлює синтез відповідного білка.

Таким чином, клітинам властивий механізм, що контролює кількість будь-якого ферменту в певний проміжок часу. Синтез білків регулюється генетичним апаратом і факторами внутрішнього і зовнішнього середовища.

Концепція оперону в регуляції генів у прокаріотів

У 1961 р. французькі біологи Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували механізм регуляції генів, який було названо гіпотезою оперона. Вони виявили, що до-

давання лактози до культури Е.соіі індукує утворення відразу трьох ферментів:

галактозидази, перме-ази і трансацетилази, необхідних клітині для розщеплення лактози до глюкози і галактози. Гени, що кодують ці ферменти, межують один з

одним у хромосомі, їх назвали структурними генами, або цистронами. Вони транскрибуються РНК-полімера-зою в одну довгу ІРНК, що має кодони для всіх трьох ферментів. Інформаційна РНК, що транскрибується з декількох генів,

називається поліцистронною. Функція цих цистронів контролюється ділянкою мо-

лекули ДНК, яка називається оператором . Операторний локус — це певна ділянка послідовності нуклеотидів довжиною 27 пар основ. Даний сегмент ДНК розташований між промотором, до якого перед початком транскрипції приєднується РНК-полі-мераза, і початком першого структурного гена (3-галак-

тозидази. Цистрон синтезує ІРНК, якщо оператор увімкнений, і припиняє синтез,

коли він вимкнений. Оператор вмикається або вимикається білком, який назвали

репресором, синтезованим регуляторним геном. Репресор або зв'язується з оператором і пригнічує його активність, або не зв'язується з ним, дозволяє виявляти активність структурним генам. Таким чином, репресор є негативним регулятором. Усі названі елементи функціонування генів входять до складу оперона.

Репресор не є обов'язковим для функціонування оперона, але він необхідний для регуляції його роботи. Таким чином, значення гена-регулятора полягає в тому,

щоб за допомогою білка-репресора керувати функціонуванням структурних генів.

Отже, оперон - це послідовність спеціальних функціональних сегментів ДНК та структурних генів, які кодують синтез певної групи білків одного метаболічного ланцюга, наприклад, ферментів гліколізу. Регульована одиниця транскрипції складається з наступних структурних частин: 1) ген-регулятор, який контролює утворення білка-репресора; 2) промотор - ділянка ДНК, до якої приєднується РНК-полімераза і з якої розпочинається транскрипція; 3) оператор - ділянка промотора, яка може зв'язувати репресор; 4) структурні гени - ділянки ДНК, які кодують іРНК конкретних білків; 5) термінаторна ділянка ДНК, яка несе сигнал про зупинку транскрипції.

Особливості експресії генів в_ еукаріотів.

Принцип експресії та її регуляції однаковий як у прокаріотів, так і в еукаріотів.

Однак останні, особливо багатоклітинні. - більш складні організми, тому експресія їх генів складніша і дещо відрізняється за деталями. Зокрема, можна відзначити наступні особливості експресії в еукаріотів.

Генетичний код ДНК. Унікальність кожної клітини полягає в унікальності її білків.

Клітини, що виконують різні функції, здатні синтезувати свої власні білки,

використовуючи інформацію, що записана в молекулі ДНК. Ця інформація існує у вигляді особливої послідовності азотистих основ у ДНК і називається генетичним кодом. М. Гамов ще в 1954 р. припустив, що кодування інформації в ДНК може здійснюватися сполученням декількох нуклеотидів. Порядок азотистих основ у іРНК, що побудована відповідно до матриці ДНК, визначає порядок зв'язування амінокислот у синтезованому поліпептиді. Встановлено, що кожна амінокислота кодується послідовністю трьох азотистих основ (триплетом, або кодоном). Одне з визначних досягнень біології XX століття - розшифрування триплетного генетичного коду. Генетичний код є послідовністю триплетів у молекулі ДНК, що контролює порядок розташування амінокислот у молекулі білка.

Послідовність нуклеотидів у молекулі ДНК кодує певну послідовність нуклеотидів в ІРНК. Кожний триплет нуклеотидів кодує одну конкретну амінокис-

лоту. Внаслідок трансляції, на основі генетичного коду на рибосомах синтезується необхідний білок.

Чотири азотистих основи в комбінаціях по 3, тобто 43, можуть утворити 64

різних код они. У молекулі ДНК кожна основа входить до складу лише одного кодону. Тому код ДНК не перекривається. Кодони розташовуються один за одним безперервно. Оскільки можливих варіантів кодонів 64, амінокислот - 20, то певні амінокислоти можуть кодуватися різними триплетами (кодонами-

синонімами). Внаслідок цього генетичний код називають виродженим або

надмірним.

Є декілька амінокислот, які кодуються різними кодонами (наприклад,

амінокислота аланін кодується триплетами ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ГЦГ). Поряд з ними є амінокислоти, які кодуються двома триплетами, і тільки дві амінокислоти -

одним. Однак кожний триплет кодує тільки одну певну амінокислоту, що свідчить про його специфічність. Крім того, деякі триплети (АТТ, АЦТ, АТЦ) не кодують амінокислоти, а є своєрідними "точками" термінації процесу зчитування