Главная страница
Навигация по странице:

  • Функциональная активность генов или экспрессия генов

  • Регуляция экспрессии генов у про- и эукариот

  • Регуляция экспрессии генов у прокариот

  • Изменчивость План

  • Определение и формы изменчивости

  • Мутагенные факторы

  • Классификация мутаций Различают следующие основные типы мутаций:1.

  • Лекции биология. Курс лекций для студентов, обучающихся на русском языке Рязань 2008


    Скачать 7.22 Mb.
    НазваниеКурс лекций для студентов, обучающихся на русском языке Рязань 2008
    АнкорЛекции биология.doc
    Дата15.05.2017
    Размер7.22 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаЛекции биология.doc
    ТипКурс лекций
    #7624
    страница7 из 12
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

    Функционально-генетическая классификация генов
    В настоящее время ген рассматривается как единица функционирования наследственного материала. Ген – это участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одного полипептида.

    Различают три вида генов:

    - структурные;

    - модуляторы;

    - регуляторы.

    Структурные гены несут информацию об аминокислотах в белках, ферментах, а также о последовательности нуклеотидов в молекулах 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,

    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 самостоятельная 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 аллелей у полиплоидных организмов.

    6. Действие гена дозировано, при изменении числа доз гена в организме изменяется признак (например, при болезни Дауна происходит увеличение до трех доз генов 21 хромосомы)
    Функциональная активность генов или экспрессия генов
    У прокариот она осуществляется в два этапа: транскрипция и трансляция.У эукариот есть еще стадия процессинга.

    Экспрессия генов заключается в синтезе на молекуле ДНК молекулы и-РНК, комлементарной ей (или транскрипции – переписывание, считывание биологической информации) и дальнейшее ее использование для синтеза белка. Единицей транскрипции в ДНК является транскриптон, превышающий по размерам структурные гены. Транскриптон в клетках эукариот состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной зоны. Неинформативная зона начинается геном-промотором (участок из 80 нуклеотидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, катализирующая процесс считывания. У прокариот один вид РНК-полимеразы, у эукариот три.

    За геном промотором находятся гены-операторы, которые связывают регуляторные белки (белки, включающие и прекращающие транскрипцию).

    Информативная зона состоит из структурных генов, располагающихся за генами операторами. Структурные гены эукариот разделены спейсерами – участками ДНК, не несущими информации.

    Кроме того, в составе самих структурных генов есть информационные 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, содержащая все неинформативные участки. Она называется РНК-предшественница или пре-РНК. Поэтому за транскрипцией наступает процессинг, в результате, которого разрушаются все неинформативные участки: акцепторная зона, спейсеры и интроны, а оставшиеся экзоны сшиваются (сплайсинг).

    На этапе процессинга к начальному отрезку образовавшейся РНК присоединяется последовательность нуклеотидов, называемая колпачком, к концевому – последовательность остатков аденина – 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 – трейлером. Лидер – вводная последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности в молекуле р-РНК малой субъединице рибосом, которая обеспечивает прикрепление и-РНК к малой субъединице. Трейлер включает нонсенс-кодон и поли-А последовательность.

    Кодовым элементом м-РНК является триплет нуклеотидов, называемый 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 представляет собой нить, намотанную на катушку, роль катушки играет особый транспортный белок – информатор.

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

    На рибосомах осуществляется процесс трансляции. Трансляция – 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 занимает 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, определяющим эту аминокислоту.




    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 факторами 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 аминокислотами образуется пептидная связь. Тем временем рибосома продвигается вдоль м-РНК, на рибосоме оказывается новый кодон, к которому вскоре присоединяется своим антикодоном соответствующая 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 обычно много

    рибосом и образуются полисомы.

    В процессе трансляции наряду с факторами инициации и элонгации важное значение имеет фермент, связывающий т-РНК с аминоацильным участком – аминоацил т-РНКаза.
    Регуляция экспрессии генов у про- и эукариот
    У прокариот она осуществляется на уровне промотора, оператора

    и трансляции.

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

    Подробнее остановимся на регуляции экспрессии генов у бактерий.

    Регуляция экспрессии генов у прокариот


    Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариотической клетки по типу репрессии



    Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариотической клетки по типу индукции
    В 1961 году Жакоб и Моно установили, что у бактерий под контролем гена-регулятора синтезируется белок-репрессор, который регулирует активность других генов. Белок-репрессор связывается с геном-оператором и блокирует его, вследствие чего транскрипция (считывание информации) становится невозможной и клетка не может синтезировать соответствующие белки. Но если в клетку проникает какой-либо субстрат, для расщепления которого необходимо синтезировать ферменты, то происходит следующее: субстрат присоединяется к репрессору и лишает его способности блокировать ген-оператор.

    К ДНК присоединяются РНК-синтезирующие ферменты и начинается транскрипция генов. Синтез белка-фермента прекращается, 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 реакции, соединяясь с неактивным белком-репрессором, образуют комплекс, блокирующий работу гена-оператора.

    Антитерминация – заключается в том, что происходит игнорирование терминальных кодонов, процесс экспрессии продолжается.

    Регуляция у эукариот

    1)Регуляция генной активности у эукариот намного сложнее, чем у бактерий. У эукариот она происходит не только на уровне клетки. Существуют системы регуляции организма как целого. Огромную роль в регуляции играют гормоны, но регулируют они процессы синтеза белков лишь в клетках-мишенях. Гормоны связываются с белками-рецепторами, расположенными в мембранах таких клеток и включают системы изменения структуры клеточных 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 адреналин включает синтез ферментов, расщепляющих гликоген мышц до глюкозы, а инсулин влияет на образование гликогена из глюкозы в печени.

    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 стабильности м-РНК, а эффективность трансляции осуществляется с помощью факторов инициации, элонгации, терминации.

    Лекция 12.

    Изменчивость

    План

    1.Определение и формы изменчивости: модификационная, комбинативная, 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
    Генетика изучает два основных свойства живых существ - наследственность и изменчивость.

    Изменчивость - свойство организмов приобретать новые признаки и особенности индивидуального развития под влиянием факторов среды.

    Изменчивость - один из важнейших факторов эволюции, обеспечивающих все многообразие живой природы.

    Различают два вида изменчивости:

    1. Фенотипическую (ненаследственную, модификационную);

    2. Генотипическую (наследственную):

    а) комбинативную;

    б) мутационную.

    Модификационная изменчивость – форма изменчивости, не связанная с изменением генотипа и вызванная влиянием факторов среды.

    Модификационная изменчивость имеет особенности:

    - не затрагивает наследственную основу организма и поэтому модификации не передаются по наследству, то есть от родителей к потомству,

    - изменения направлены, происходят закономерно, их можно предсказать,

    - имеют адаптивное (приспособительное) значение,

    - имеют массовый (групповой) и обратимый характер,

    - определенный фактор внешней среды вызывает сходное изменение у всех особей данного вида.

    Модификационная изменчивость имеет предел. Границы изменчивости признака, обусловленные генотипом называются нормой реакции. Она может быть узкой, когда признак изменяется незначительно (цвет глаз), и широкой, когда признак изменяется в широких пределах (рост, масса тела).

    В медицине часто приходится устанавливать норму реакции для оценки max и min количественных показателей (уровень гормонов, ферментов, гемоглобина и др.)

    Комбинативная изменчивость – это наследственная изменчивость, обусловленная перекомбинацией имеющихся генов и хромосом, без изменения структуры генов и хромосом (наследственного материала). Этот тип изменчивости проявляется уже на стадии образования половых клеток.

    Источниками комбинативной изменчивости являются процессы, происходящие в мейозе и в результате оплодотворения:

    1. Рекомбинация генов при кроссинговере в профазе1 мейоза.

    2. Рекомбинация хромосом в ходе мейоза (независимое расхождение хромосом и хроматид при мейозе)

    3. Комбинация хромосом в результате слияния гамет при оплодотворении (случайное сочетание гамет при оплодотворении).

    Комбинативная изменчивость обеспечивает генотипическое разнообразие людей, объясняет наличие признаков у детей и внуков от родственников по отцовской и материнской линии.

    Мутационная изменчивость – способность генетического (наследственного) материала изменяться и эти изменения наследуются в потомстве.

    В основе мутационной изменчивости лежат мутации.

    Мутации – это внезапные изменения генетического материала под влиянием среды и передающиеся по наследству.

    Частота мутаций зависит от вида организма, от возраста, от фазы онтогенеза, стадии гаметогенеза, может происходить в половых и соматических клетках, иметь рецессивный и доминантный характер. Например, у человека до 6% гамет несут мутантные гены.

    Процесс образования мутаций называется мутагенезом.

    Факторы, вызывающие мутации называются мутагенными.

    Мутации первоначально действуют на генетический материал особи, а через генотип изменяется и фенотип.
    Мутагенные факторы
    Факторы, вызывающие мутации называются мутагенными факторами (мутагенами) и подразделяются на:

    1. Физические;

    2. Химические;

    3. Биологические.

    К физическим мутагенным факторам относятся различные виды излучений, температура, влажность и др. Наиболее сильное мутагенное действие оказывает ионизирующее излучение – рентгеновские лучи, α-, β-, γ- лучи. Они обладают большой проникающей способностью.

    При действии их на организм они вызывают:

    а) ионизацию тканей – образование свободных радикалов (ОН) или (Н) из воды, находящейся в тканях. Эти ионы вступают в химическое взаимодействие с ДНК, расщепляют нуклеиновую кислоту и другие органические вещества;

    б) ультрафиолетовое излучение характеризуется меньшей энергией, проникает только через поверхностные слои кожи и не вызывает ионизацию тканей, но приводит к образованию димеров (химические связи между двумя пиримидиновыми основаниями одной цепочки, чаще Т-Т). Присутствие димеров в ДНК приводит к ошибкам при ее репликации, нарушает считывание генетической информации;

    в) разрыв нитей веретена деления;

    г) нарушение структуры генов и хромосом, т.е. образование генных и хромосомных мутаций.

    К химическим мутагенам относятся:

    - природные органические и неорганические вещества (нитриты, нитраты, алкалоиды, гормоны, ферменты и др.);

    - синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды, пищевые консерванты, лекарственные вещества).

    - продукты промышленной переработки природных соединений – угля, нефти.

    Механизмы их действия:

    а) дезаминирование – отщепление аминогруппы от молекулы аминокислот;

    б) подавление синтеза нуклеиновых кислот;

    в) замена азотистых оснований их аналогами.

    Химические мутагены вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК.

    К биологическим мутагенам относятся:

    - Вирусы (гриппа, краснухи, кори)

    - Невирусные паразитические организмы (грибы, бактерии, простейшие, гельминты)

    Механизмы их действия:

    а) вирусы встраивают свою ДНК в ДНК клеток хозяина.

    б) продукты жизнедеятельности паразитов-возбудителей болезней действуют как химические мутагены.

    Биологические мутагены вызывают генные и хромосомные мутации.
    Классификация мутаций
    Различают следующие основные типы мутаций:

    1. По способу возникновения их подразделяют на спонтанные и индуцированные.

    Спонтанные – происходят под действием естественных мутагенных факторов внешней среды без вмешательства человека. Они возникают в условиях естественного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на поверхности земли.

    Индуцированные мутации вызываются искусственно воздействием определенных мутагенных факторов.

    2. По мутировавшим клеткам мутации подразделяются на генеративные и соматические.

    Генеративные – происходят в половых клетках, передаются по наследству при половом размножении.

    Соматические – происходят в соматических клетках и передаются только тем клеткам, которые возникают из этой соматической клетки. Они не передаются по наследству.

    3. По влиянию на организм:

    Отрицательные мутации – летальные (несовместимые с жизнью); полулетальные (снижающие жизнеспособность организма); нейтральные (не влияющие на процессы жизнедеятельности); положительные (повышающие жизнеспособность). Положительные мутации возникают редко, но имеют большое значение для прогрессивной эволюции.

    4. По изменениям генетического материала мутации подразделяются на геномные, хромосомные и генные.

    Геномные мутации – это мутации, вызванные изменением числа хромосом. Могут появляться лишние гомологичные хромосомы. В хромосомном наборе на месте двух гомологичных хромосом оказываются три – это трисомия. В случае моносомии наблюдается утрата одной хромосомы из пары. При полиплоидии происходит кратное гаплоидному увеличение числа хромосом. Еще один вариант геномной мутации – гаплоидия, при которой остается только одна хромосома из каждой пары.

    Хромосомные мутации связаны с нарушением структуры хромосом. К таким мутациям относятся утраты участков хромосом (делеции), добавление участков (дупликация) и поворот участка хромосом на 180° (инверсия).

    Генные мутации, при которых изменения происходят на уровне отдельных генов, т.е. участков молекулы ДНК. Это может быть утрата нуклеотидов, замена одного основания на другое, перестановка нуклеотидов или добавление новых.
    1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


    написать администратору сайта