Lektsii-biologia

Данные о видовой специфичности строения ДНК получены в начале 50-х годов Эрвином Чаргаффом и его сотрудниками. Лю - бая ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов, содержащих одно из четырех азотистых оснований: аденин, тимин, гуанин, цитозин. Чаргафф с сотрудниками обнаружил, что соотношения между нуклеотидами, входящими в состав ДНК одинаковы в пре - делах вида и различаются у разных видов. Кроме того, число аде -

ниловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуани	-
ловых равно числу цитозиловых. Это открытие послужило глав	-
ным ключом к выявлению структуры молекулы ДНК.
Трансформация у бактерий – это передача от одной бактери	-
альной клетки другой наследственного материала. В 1928 году
Фред Гриффит изучал трансформацию у двух штаммов пневмо	-
кокка: вирулентного (вызывающего гибель мышей) и авирулент	-
ного (не вызывающего гибели).
Если убить вирулентные бактерии и вводить их вместе с жи	-
выми авирулентными, то часть животных все равно погибнет.

Этот опыт свидетельствовал о том, что часть генетического мате -

риала из вирулентных бактерий проникла в авирулентные и сде	-
лала их вирулентными. После того как вирулентные клетки раз	-
делили на отдельные компоненты: углеводы, липиды, белки и

ДНК, было обнаружено, что именно ДНК наделило живые бакте - рии генетическим признаком, которого у них до этого не было.

Трансдукция – это явление, заключающееся в том, что вирусы, выходя из бактериальной клетки, в которой они паразитировали, могут захватывать с собой часть ДНК и, перемещаясь в новые клетки передавать им признаки прежних хозяев.

Так, при внесении в неподвижные бактерии вирусов, размножав -

шихся в клетках подвижных культур, некоторые из бактерий ста	-
новятся подвижными.
Половой процесс у бактерий – коньюгация, когда происходит
обмен молекулами ДНК, и хотя новые бактерии не образуются,
но их наследственный материал изменяется, т.к. происходит ре	-
комбинация генетического материала.

Строение вируса или бактериофага : вирус состоит из молеку -

лы ДНК (или РНК), заключенной в белковую оболочку. С помо - щью радиоизотопов было доказано, что именно ДНК проникает в

91D

клетку, а белковая оболочка остается снаружи. В результате обра - зуются новые фаговые частицы. Таким образом, ДНК является носителем генетической информации и дает начало новым бакте - риофагам.

Косвенные доказательства : в соматических клетках разных органов содержится одинаковое количество ДНК, вдвое большее, чем в половых. Количество белков варьирует и не всегда больше, чем в половых.

2).Следующий этап развития молекулярной генетики связан с таким важным открытием, как установление структурной органи - зации молекулы ДНК– в 1953 году. Крик и Уотсон установили, что ДНК состоит из двух спирально-закрученных цепей.

В настоящее время принято говорить о первичной, вторичной и третичной структуре ДНК: Первичной структурой ДНК называют линейную полинуклеотидную цепь, в которой мононуклеотиды соединены 3`,5`- фосфоэфирными связями. Модель Крика и Уот - сона – это вторичная структура ДНК, основанная на принципе комплементарности и получившая название двойной спирали. Один виток спирали состоит из 10 нуклеотидов, размер витка 3,4 нм.

Дополнительное структурирование в пространстве двуспираль - ной молекулы ДНК (в конденсированных хромосомах) с образо - ванием суперспирали является третичной структурой.

3).Определение направления передачи информации – «один ген

–один фермент» - Бидл и Татум – 50-е годы. (В настоящее время

–один ген – один полипептид).

4).Расшифровка генетического кода – Ниренберг, Очоа (К 1964 году расшифрованы коды для всех аминокислот). Выяснение ме - ханизма экспрессии генов у прокариот и ее регуляции – Франсуа Жакоб и Жан Моно – 50-е годы.

5).70-е годы и до настоящего времени – выявление особенно - стей экспрессии генов у эукариот. Развитие генетической инже - нерии.

Генетический код и его свойства

92D

Генетический код – это система записи информации о последо - вательности расположения аминокислот в белках с помощью по - следовательности расположения нуклеотидов в молекуле ДНК.

Свойства генетического кода:

1.Код триплетен – каждая аминокислота зашифрована последова - тельностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодо - ном.

2.Код вырожден – каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном. (Исключения – аминокислоты метионин и трип -

тофан. Они кодируются одним кодоном.)
3.Код универсален – одни и те же триплеты кодируют одни и те
же аминокислоты у всех организмов.
4.Генетический код не перекрывающийся – триплеты нуклеоти	-
дов не перекрывают друг друга. У некоторых вирусов обнаруже	-
но перекрывание, но это исключение.

5.Имеются стартовый и терминальный кодоны. Стартовый – еди - ный для всех – АУГ. Терминальный трех видов – УАГ, УАА, УГА.

Функционально-генетическая классификация генов

В настоящее время ген рассматривается как единица функцио - нирования наследственного материала. Ген – это участок молеку - лы ДНК, ответственный за синтез одного полипептида.

Различают три вида генов:

-структурные;

-модуляторы;

-регуляторы.

Структурные гены несут информацию об аминокислотах в бел - ках, ферментах, а также о последовательности нуклеотидов в мо - лекулах р-РНК и т-РНК.

Гены-модуляторы влияют на функционирование структурных генов, могут смещать в ту или иную сторону процесс развития признака. Они подразделяются на:

1)ингибиторы или супрессоры (эпистатичные гены),

2)интенсификаторы – могут повышать способность структурных генов к мутациям,

93D

3)модификаторы – могут влиять на структурные гены по типу комлементарности.

Гены-регуляторы контролируют синтез регуляторных белков, а также время включения различных структурных генов в процессе индивидуального развития.

Свойства генов:

1. Дискретность действия – каждый ген действует как самостоя - тельная единица наследственности.

2.Стабильность – при отсутствии мутаций ген передается в ряду поколений в неизмененном виде.

3.Специфичность действия – каждый ген влияет на развитие своего определенного признака.

4.Плейотропия – способность одного гена обеспечивать развитие одновременно нескольких признаков (синдром Марфана).

5.	Присутствие в виде двух у диплоидных и большего числа ал	-
лелей у полиплоидных организмов.
6.	Действие гена дозировано, при изменении числа доз гена в ор	-
ганизме изменяется признак (например, при болезни Дауна про		-
исходит увеличение до трех доз генов 21 хромосомы)

Функциональная активность генов или экспрессия ге -

нов

У прокариот она осуществляется в два этапа: транскрипция и трансляция.У эукариот есть еще стадия процессинга.

Экспрессия генов заключается в синтезе на молекуле ДНК мо - лекулы и-РНК, комлементарной ей (или транскрипции – перепи -

сывание, считывание биологической информации) и дальнейшее
ее использование для синтеза белка. Единицей транскрипции в
ДНК является транскриптон, превышающий по размерам струк	-
турные гены. Транскриптон в клетках эукариот состоит из неин	-

формативной (акцепторной) и информативной зоны. Неинформа - тивная зона начинается геном-промотором (участок из 80 нуклео - тидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, ка - тализирующая процесс считывания. У прокариот один вид РНКполимеразы, у эукариот три.

94D

За геном промотором находятся гены-операторы, которые свя -

зывают регуляторные белки (белки, включающие и прекращаю	-
щие транскрипцию).
Информативная зона состоит из структурных генов, распола	-
гающихся за генами операторами. Структурные гены эукариот

разделены спейсерами – участками ДНК, не несущими информа - ции.

Кроме того, в составе самих структурных генов есть информа - ционные участки – экзоны и неинформационные – интроны. У пркариот спейсеров, экзонов и интронов нет.

В каждой фазе жизненного цикла в клетке транскрибируется только 10% структурных генов, а остальные гены не активны, но часть из них может включаться в других фазах жизненного цикла.

В результате транскрипции у прокариот сразу образуется м-
РНК (зрелая РНК) и сразу же начинается процесс трансляции.
У эукариот транскрибируется большая молекула и-РНК, со	-
держащая все неинформативные участки. Она называется РНК-
предшественница или пре-РНК. Поэтому за транскрипцией на	-
ступает процессинг, в результате, которого разрушаются все не	-
информативные участки: акцепторная зона, спейсеры и интроны,
а оставшиеся экзоны сшиваются (сплайсинг).
На этапе процессинга к начальному отрезку образовавшейся
РНК присоединяется последовательность нуклеотидов, называе	-
мая колпачком, к концевому – последовательность остатков аде	-
нина – поли- A.
В процессинге происходит модификация нуклеотидов в РНК,
например, их метилирование, гидрирование.
И только после этих превращений образуется зрелая м-РНК,
которая начинается вводной последовательностью, называемой

лидером, и заканчивается концевой последовательностью – трей - лером. Лидер – вводная последовательность нуклеотидов, ком - плементарная последовательности в молекуле р-РНК малой субъ - единице рибосом, которая обеспечивает прикрепление и-РНК к малой субъединице. Трейлер включает нонсенс-кодон и поли-А последовательность.

95D

Кодовым элементом м-РНК является триплет нуклеотидов, на - зываемый кодоном. Каждому кодону соответствует определенная аминокислота.

Первичной структурой РНК является, как и в ДНК, линейная цепь полинуклеотидов, в которой мононуклеотиды соединены 3`, 5`-фосфоэфирными связями.

Вторичная структура РНК – изогнутая цепь, а третичная пред - ставляет собой нить, намотанную на катушку, роль катушки игра - ет особый транспортный белок – информатор.

Образующаяся м-РНК идет в цитоплазму к месту синтеза по - липептида (белка), т.е. к рибосомам.

На рибосомах осуществляется процесс трансляции. Трансля - ция – это механизм, с помощью которого последовательность нуклеотидов в молекулах м-РНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Трансляция складывается из трех стадий:

1.Инициация – начало синтеза полипептида.

2.Элонгация – удлинение полипептида.

3.Терминация – окончание синтеза полипептида.

На этапе инициации меньшая субъединица рибосомы узнает стартовый кодон АУГ м-РНК и прикрепляется к ней. АУГ зани - мает первую позицию. После этого присоединяется большая субъединица рибосомы и в ней начинается собственно синтез белка. К большой субъединице подходит т-РНК с аминокислотой.

В молекуле т-РНК одна ее часть присоединяет аминокислоту, а другая – антикодон, спаривается с колоном м-РНК, определяю - щим эту аминокислоту.

96D

В большой субъединице есть: 1 – аминоацильный участок 2 – пептидильный участок

В т-РНК, антикодон которой комплементарен кодону АУГ м-РНК приносит аминокислоту метианин и останавливается в аминоацильном участке. Стадия инициации контролируется фак - торами инициации. У прокариот их 3, у эукариот 6-7.

Вторая стадия – элонгации начинается с перемещения т-РНК с метианином в пептидильный участок, а на ее место приходит другая т -РНК с новой аминокислотой. Между двумя аминокис - лотами образуется пептидная связь. Тем временем рибосома продвигается вдоль м-РНК, на рибосоме оказывается новый ко - дон, к которому вскоре присоединяется своим антикодоном соот - ветствующая т-РНК.

Все это повторяется многократно, до тех пор, пока рибосома

не дойдет до одного из терминальных кодонов (УАА, УАГ, УГА).

Этим кодонам нет антикодона, нет аминокислоты. Наступает фаза терминации. К одной молекуле м-РНК прикрепляется обыч - но много рибосом и образуются полисомы.

В процессе трансляции наряду с факторами инициации и элон - гации важное значение имеет фермент, связывающий т-РНК с аминоацильным участком – аминоацил т-РНКаза.

Регуляция экспрессии генов у про- и эукариот

97D

У прокариот она осуществляется на уровне промотора, опера - тора

итрансляции.

Уэукариот регуляция происходит на всех этапах экспрессии: транскрипции, процессинга и трансляции.

Подробнее остановимся на регуляции экспрессии генов у бакте - рий.

Регуляция экспрессии генов у прокариот

Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариоти - ческой клетки по типу репрессии

Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариоти - ческой клетки по типу индукции

98D

В 1961 году Жакоб и Моно установили, что у бактерий под контролем гена-регулятора синтезируется белок-репрессор, кото - рый регулирует активность других генов. Белок-репрессор связы - вается с геном-оператором и блокирует его, вследствие чего тран -

скрипция (считывание информации) становится невозможной и
клетка не может синтезировать соответствующие белки. Но если
в клетку проникает какой-либо субстрат, для расщепления кото	-
рого необходимо синтезировать ферменты, то происходит следу	-
ющее: субстрат присоединяется к репрессору и лишает его спо	-
собности блокировать ген-оператор.

К ДНК присоединяются РНК-синтезирующие ферменты и на - чинается транскрипция генов. Синтез белка-фермента прекраща -

ется, если субстрат полностью расщепляется, белок-репрессор
освобождается и снова блокирует гены-операторы. Это пример
регуляции по типу индукции. Также существует регуляция по
типу репрессии: когда конечные продукты биохимической реак	-
ции, соединяясь с неактивным белком-репрессором, образуют
комплекс, блокирующий работу гена-оператора.
Антитерминация – заключается в том, что происходит игнори	-

рование терминальных кодонов, процесс экспрессии продолжает - ся.

Регуляция у эукариот

1)Регуляция генной активности у эукариот намного сложнее, чем у бактерий. У эукариот она происходит не только на уровне клет - ки. Существуют системы регуляции организма как целого. Огромную роль в регуляции играют гормоны, но регулируют они процессы синтеза белков лишь в клетках-мишенях. Гормоны свя - зываются с белками-рецепторами, расположенными в мембранах таких клеток и включают системы изменения структуры клеточ - ных белков. Те, в свою очередь, могут влиять как на процессы транскрипции, так и процессы трансляции. Каждый гормон через систему посредников активирует свою группу генов. Так адрена - лин включает синтез ферментов, расщепляющих гликоген мышц до глюкозы, а инсулин влияет на образование гликогена из глюко - зы в печени.

99D

2)На стадии транскрипции белки-гистоны участвуют в процессах регуляции генной активности у эукариот. Непременное условие – это деконденсация участка, где происходит транскрипция.

3)Регуляция на уровне трансляции направлена на сохранение ста - бильности м-РНК, а эффективность трансляции осуществляется с помощью факторов инициации, элонгации, терминации.

Лекция 12.

Изменчивость

План

1.Определение и формы изменчивости: модификационная, ком - бинативная, мутационная.

2.Мутагенные факторы.

3.Классификация мутаций.

4.Устойчивость и способы репарации генетического материала.

5.Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И.Вавилова.

Определение и формы изменчивости

100D