3. Будова гена про- та еукаріотів

інформації. Якщо процес синтезу доходить до такої "точки" в молекулі ДНК,

синтез даної РНК припиняється. Встановлено кодони для всіх 20 амінокислот.

Послідовність триплетів у ДНК визначає порядок розташування амінокислот у молекулі білка, тобто має місце колінеарність. Це означає, що положення кожної амінокислоти в поліпептид-ному ланцюгу залежить від положення триплету в ДНК. Численними дослідженнями встановлена універсальність генетичного коду.

Він однаковий для всіх живих організмів, від бактерій до рослин і ссавців.

Тобто у всіх живих організмів той самий триплет кодує ту ж амінокислоту. Це один з найбільш переконливих доказів спільності походження живої природи.

Таким чином, генетичний код ДНК має такі фундаментальні характеристики: 1)

триплетність (три сусідні азотисті основи називаються кодоном і кодують одну амінокислоту); 2) специфічність (кожний окремий триплет кодує тільки одну певну амінокислоту); 3) неперекривність (жодна азотиста основа одного кодону ніколи не входить до складу іншого кодону); 4) відсутність розділових знаків (ге-

нетичний код не має "пунктуаційних позначок" між кодуючими триплетами у структурних генах); 5) універсальність (даний код он у ДНК або ІРНК визначає ту саму амінокислоту в білкових системах всіх організмів від бактерій до людини); 6) надмірність (одна амінокислота часто має більш ніж один кодовий триплет); 7)

колінеарність (ДНК є лінійним полі-нуклеотидним ланцюгом, а білок-лінійним поліпеп-тидним. Послідовність амінокислот у білку відповідає послідовності триплетів у його гені. Тому ген і поліпептид, який він кодує, називають колінеарними); 8) відповідність гени - поліпептиди

Генетичний код

Положення азотистої основи в кодоні

1-е						2-е			3-є
		У		Ц		А		Г
У	УУУ	Фен	УЦУ	Сер	УАУ	Тир	УГУ	Цис	У
	УУЦ		УЦЦ		УАЦ		УГЦ		Ц

	УУА	Лей	УЦА		УАА	"Стоп"	ЦГА	"Стоп"	А
	УУГ		УЦГ		УАГ		УГГ	Тре	Г
Ц	ЦУУ	Лей	ЦЦУ	Про	ЦАУ	Гіс	ЦГУ	Apr	У
	ЦУЦ		ЦЦЦ		ЦАЦ		ЦГЦ		Ц
	ЦУА		ЦЦА		ЦАА	Глі	ЦГА		А
	ЦУГ		ЦЦГ		ЦАГ		ЦГГ		Г
А	АУУ	Ідей	АЦУ	Тре	ААУ	Асп	АГУ	Сер	У
	АУЦ		АЦЦ		ААЦ		АГЦ		ц
	АУА		АЦА		ААА	Ліз	АГА	Apr	А
	АУГ	Мет; "Початок"	АЦГ		ААГ		АГГ		Г
Г	ГУУ	Вал	ГЦУ	Ала	ГАУ	Асп	ГГУ	Глі	У
	ГУЦ		гцц		ГАЦ		ГГЦ		ц
	ГУА		ГЦА		ГАА	Глу	ГГА		А
	ГУГ		ГЦГ		ГАГ		ГГГ		Г

Утворення ІРНК: / - синтезована ІРНК; 2 - РНК-полімераза; 3 - подвійна спіраль ДНК; 4 -ДНК-гєліказа; 5-другий ланцюг, не матричний; б - дестабілізувальний білок.

Генетичний код іРНК. При транскрипції закодована інформація з матричного ланцюга ДНК переписується на комплементарну молекулу ДНК. При цьому генетичний код ДНК перекладається в генетичний код іРНК. Код іРНК комплементарний коду ДНК. Наприклад, якщо в матричному ланцюгу ДНК розташовані ААГЦТАТГЦЦААА, то в молекулі іРНК знаходиться УУЦГАУАЦГГУУУ. Таким чином, ті ж самі амінокислоти кодуються на молекулі іРНК комплементарними триплетам. Характеристики коду іРНК такі ж, як і для ДНК. Крім цього, іРНК має старт-кодон АУЦ, який вмикає початок синтезу, а

стоп-кодони УАА, УАГ, УГА зупиняють процес трансляції.

Процес зчитування інформації відбувається в одному напрямку. Так, якщо в молекулі ІРНК азотисті основи будуть розташовуватися в такому порядку: ААА

ЦЦЦ УГУ УЦУ.., це означає, що послідовно закодовані такі амінокислоти: лізин,

пролін, цистеїн, серин. Саме в цій послідовності вони повинні знаходитися в поліпептидному ланцюгу при синтезі білка. Якщо в першому триплеті ІРНК буде втрачений один аденін, то порядок основ набуде такого вигляду: АА ЦЦЦ УГУ УЦУ... В результаті склад всіх триплетів зміниться. Перший триплет стане не

ААА, а ААЦ. Подібний триплет кодує аспарагінову амінокислоту, а не лізин, як раніше. Другий триплет стане вже не ЦЦЦ, а ЦЦУ і т. д. Те ж відбувається при вставці нових основ. Таким чином, зникнення або вставка лише однієї основи може порушити синтез певної молекули білка.Молекули ДНК кожної клітини містять інформацію для синтезу всіх необхідних їй білків. Молекули ДНК містяться в ядрі,

а синтез білків відбувається в цитоплазмі. ДНК не може переміщуватися до місця синтезу білків у цитоплазму. Вона передає інформацію про структуру білків за участю специфічних молекул іРНК, що утворюються на ДНК і переносяться з ядра в цитоплазму до місця синтезу білків. У синтезі білків беруть участь також інші РНК (тРНК і рРНК). Утворення молекул РНК на матриці ДНК називається транскрипцією (від лат. transcriptio - переписування). Цей процес відбувається, в основному, під час інтерфази. На генах матриці ДНК утворюються всі три типи РНК -інформаційна, транспортна і рибосомальна.

Зчитування спадкової інформації з генів регулюється спеціальними білками.

Зокрема, гістони не тільки забезпечують структурну організацію хроматину, але є репресорами, тому що перешкоджають зчитуванню генетичної інформації.

Початок зчитування генетичної інформації пов'язаний зі звільненням певної ділянки ланцюга ДНК (гена) від гістонів, після чого ген активується і з нього починається зчитування спадкової інформації. Негісто-нові білки мають здатність розпізнавати гени, і цим забезпечується синтез необхідних білків.

Основні етапи транскрипції:

1. Ініціація. За сигналом з цитоплазми певна ділянка подвійної спіралі ДНК розкручується і розділяється на два ланцюги. Це відбувається за допомогою ферменту гелікази, що зв'язується з ДНк. Ферменти РНК-полімерази забезпечу-

ють утворення РНК, що зростають у довжину по мірі просування ферменту уздовж нитки ДНК.

РНК-полімераза починає синтезувати новий ланцюг біля спеціального старт-

сигналу ДНК, що називається промотором, і закінчує його біля стоп-сигналу

(сигнал термінації), після чого полімераза та синтезований готовий ланцюг РНК відокремлюються один від одного. Ділянка ДНК між промотором і термінатором,

яка транскрибується, називається одиницею транскрипції. . Молекула РНК, яка при цьому утворюється, називається первинним транскриптом або про-іРНК.

Швидкість полімеризації при 37 °С складає приблизно ЗО нуклеотидів за 1 сек.,

тому синтез ланцюга РНК довжиною 5000 нуклеотидів триває близько 3 хв.

Один з двох ланцюгів ДНК, на якому йде транскрипція, називається кодуючим ланцюгом. Другий ланцюг ДНК називається ланцюгом, що не кодує. Для різних білків кодувати можуть як один, так і другий ланцюги ДНК.

Процесинг. Молекулярні механізми, пов'язані з "дозріванням" різних типів РНК, називаються процесингом. Вони здійснюються в ядрі перед виходом РНК із ядра в цитоплазму.

У процесі "дозрівання" ІРНК спеціальні ферменти вирізають інтрони і зшивають активні ділянки, що залишилися (екзони). Цей процес називається сплайсингом.

Тому послідовність нуклеотидів у дозрілої ІРНК не є цілком комплементарною нуклеотидам ДНК. В ІРНК поруч можуть стояти такі нуклеотиди, комплементарні яким нук-леотиди в ДНК знаходяться один від одного на значній відстані.

Сплайсинг - дуже точний процес. Його порушення змінює рамку зчитування при трансляції, що призводить до синтезу іншого пептиду. Точність вирізання інтронів забезпечується розпізнаванням ферментів певних сигнальних послідовностей нуклеотидів у молекулі про-іРНК.

Процес синтезу білків (трансляція), як реплікація і транскрипція, умовно поділяється на три етапи: ініціацію, елонгацію і термінацію.

І. Ініціація. Розпочинається з активації амінокислот. Амінокислоти (АК) в

цитозолі клітини вступають в реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою амінокислотою. Так формується АК-АМФ-комплекс. Реакцію каталізує фермент аміно-ацил-тРНК-синтетаза. Для кожної амінокислоти існує свій особливий фермент.

Процеси ініціації вимагають присутності специфічних факторів ініціації, що мають білкову природу та володіють регуляторною активністю.

2. Елонгація (подовження поліпептидного ланцюга). Друга, навантажена,

наприклад, проліном, тРНК з'єднується з рибосомою на ділянці А. її антикодон зв'язується з комплементарним кодоном ланцюга ІРНК. На ділянці П метіонін звільняється від своєї тРНК і з'єднується пептидним зв'язком з проліном Процес каталізує фермент пептидилтрансфераза. У цьому процесі зв'язок між першою амінокислотою та її тРНК розривається і -СООН група першої аміно-

кислоти утворює пептидний зв'язок з вільною -NH2 групою другої амінокислоти.

Таким чином, друга тРНК уже несе дипептид. Перша тРНК, тепер вільна,

відокремлюється від П-ділянки рибосоми і повертається у загальний фонд тРНК у цитоплазмі . Тут вона мсже знову зв'язуватися зі своєю амінокислотою.

3. Термінація (закінчення синтезу та вивільнення поліпептидного ланцюга). У

кінці ланцюга іРНК знаходиться один із "стоп"-кодонів (УАА, УАГ, УГА). Вони не розпізнаються жодною тРНК. Фактор термінації (спеціальний білок)

приєднується до цього кодону і блокує подовження поліпептидного ланцюга. Як наслідок, до останньої амінокислоти синтезованого білка приєднується вода і її карбоксильний кінець відокремлюється від тРНК. Зв'язок між останньою тРНК і поліпептидним ланцюгом розривається спеціальними ферментами -факторами вивільнення. Рибосома відокремлюється від ланцюга і РНК і розпадається на дві субоди-ниці. Синтезований поліпептид звільняється і потрапляє в цитоплазму.

Кожна молекула ІРНК транскрибується декілька разів, а згодом руйнується.

Середній час "життя" іРНК складає приблизно 2 хв. Вибірково руйнуючи старі й створюючи нові ІРНК, клітина може регулювати як якісний, так і кількісний склад білків, а значить, рівень і спрямованість метаболізму.

Значення трансляції.

Білковий синтез є основою поділу, диференціювання, росту й розвитку,

забезпечує особливості метаболізму і функцій. Білки сприяють об'єднанню клітин у групи, що призводить до утворення тканин і органів. Будь-які порушення трансляції та синтезу білків спричиняють порушення метаболізму, функцій, що призводить до появи хвороб.

Посттрансляційна модифікація білка як основа для їх функціонування.

Вивільнений поліпептид - це прямолінійна молекула, що не має метаболічної активності. Синтезовані з амінокислот поліпептидні ланцюги надалі можуть надходити в цитоплазму, ендоплазматичну сітку або комплекс Гольджі, де завершується формування білкової молекули. У процесі "дозрівання" вона може втрачати деякі кінцеві амінокислоти за допомогою ферменту екзопептидази, а

згодом утворювати вторинну і третинну структури. Молекули можуть об'єд-

нуватися з іншими поліпептидами для утворення четвертинної структури складних білків. Синтезовані молекули об'єднуються з вуглеводними або ліпідними молекулами, вбудовуються в біомембра-ни або інші комплекси клітини.

Процеси зміни початкової структури поліпептиду та формування нової

називаються посттрансляційною модифікацією. Внаслідок цього білки набувають специфічних властивостей і функціональної активності.

Відкриття явища переривчастості гена еукаріотів сприяло формуванню уяви про мозаїчну будову гена - коли кодуючі послідовності ДНК у межах того ж гена розділяються некодуючими вставками з неінформаційної, "мовчазної" ДНК.

Кодуючі ділянки отримали назву — екзони, а неінформацій-ний матеріал -

інтрони.

Така будова гена вказує, що функціональні частини гена роз'єднані, що ген не є неподільною одиницею не тільки щодо рекомбінацій та мутацій, але й стосовно своїх функціональних властивостей.

Відкриття екзонно-інтронної організації генів сприяло обґрунтуванню того, що поряд з міжгенною існує і внутрішньогенна функціональна взаємодія. Ген

(базиген) складається з окремих ділянок -центрів, названих трансгенними, які мають схожі функції. Між трансгенами одного гена існують такі ж алельні взаємозв'язки, як і між окремими функціонально різними генами.

Для синтезу білка весь ген, зокрема екзони й інтрони, транскрибується о довгу молекулу РНК (первинний транскрипт). Перш ніж покинути ядро, ця молекула РНК комплексом ферментів здійснює процесинг - видаляє всі послідовності інтронів. Зріла молекула РНК стає значно коротшою (майже в 10

разів у порівнянні з первинним транскриптом), виходить у цитоплазму у вигляді мРНК і бере участь у синтезі білка.

Отже, присутність в еукаріотів численних інтронів полегшує генетичну рекомбінацію між екзонами і забезпечує більшу гнучкість у синтезі білка.

Виникнення нових білків збільшує ефективність еволюції організмів.

Доведено, що з однієї первинної РНК у різних тканинах утворюється не один, а

декілька різних за довжиною мРНК-транскриптів.

Молекулярні механізми мінливості в людини.

Під впливом різних фізико-хімічних факторів у молекулах ДНК можуть відбуватися порушення структурної організації. Такі зміни, якщо вони тор-

каються функціонально активних генів, призводять до порушень метаболізму або функцій (ознак). Якщо ці зміни не викликають загибелі організму або клітини, вони передаються нащадкам. Таким чином, генними мутаціями називаються стабільні зміни хімічної структури генів, що повторюються в наступних циклах реплікації та виявляються в нащадків у вигляді нових варіантів ознак. Усі різнови-

ди мутацій пов'язані зі зміною нуклеотидної послідовності генів.

Причини мутацій:

1.Помилки реплікації. Вони виникають у випадку некомплементарного приєднання азотистихоснов у процесі реплікації. Якщо помилки не буливиправлені ДНК-полімеразою, вони передаються нас -тупним поколінням у процесі реплікації.

2.Помилки рекомбінації. Порушення точності рекомбінацій ділянок ДНК при кросинговері веде до обміну невідповідними ділянками хромосом. Це призводить до порушення генного

складу хромосом - хромосомних мутацій.

3.Хімічні мутагени. Багато хімічних речовинможуть змінювати структуру ДНК. Наприклад,

аналоги азотистих основ, включаючись у ДНК, можуть зупиняти реплікацію або порушувати компле-

ментарність ланцюгів; формальдегід (НСОН) може "зшивати" між собою ДНК,

РНК, білки; гідрокси-

ламін (NH2OH) - специфічно реагує з цитозином, а його деривати замість гуаніну зв'язують аденін; азо-

тиста кислота (HNO2) окиснює й пошкоджує азотисту основу ДНК.

4. Фізичні мутагени. Зокрема, ультрафіолетове випромінювання (20СМ00 нм)

викликає утворен-

ня димерів тиміну, що порушує структуру ДНК. В результаті зупиняється транскрипція, порушується

реплікація. Іонізуюча радіація (рентгенівські промені, у-промені) порушують

структуру пуринових основ і

фосфодиефірні зв'язки ДНК.

5.Біологічні мутагени (наприклад, віруси, які мають здатність вмонтовувати свій ген у ДНК клітини хазяїна і змінювати вихідну структуру генетичного матеріалу).

6.Спонтанні зміни (без видимих причин). Наприклад, спонтанне

дезамінування цитозину й утворення при цьому урацилу призводить до пору-

шення комплементарності і заміни однієї пари основ на іншу.