Биология. Лекция 1 Типы клеточной организации
 Скачать 1.83 Mb.
|
|
неаллельных генов в детерминации признаков.
Учение о генотипе и фенотипе создал в 1911 году голландский ученый Вильгельм Иогансон. Совокупность генов клетки или организма, обуславливающих его развитие, называется генотипом. Генотип не механический набор независимо функционирующих генов, а единая система взаимодействующих генов. Совокупность признаков и свойств организма, формирующихся в процессе взаимодействия генотипа с внешней средой, называется фенотипом. Пределы, в которых в зависимости от условий среды, меняются фенотипические проявления генотипа – норма реакции. Другими словами фенотип – это результат взаимодействия генотипа и окружающей среды. Гены взаимодействуют на 2х уровнях: - на уровне генов - на уровне продуктов их функциональной активности, т.е. на уровне белков. В качестве примера взаимодействия генов на уровне продуктов их функциональной активности рассмотрим синдром Морриса. При этом заболевании у больного мужской кариотип, но вторичные половые признаки совершенно не выражены и фенотип типично женский. У больного тестостерон (мужской половой гормон) синтезируется в достаточном количестве, но белок-рецептор, воспринимающий тестостерон, отсутствует. Два признака (синтез тестостерона и синтез белка-рецептора к нему) контролируются разными генами. Но взаимодействие в этом случае происходит не уровне самих генов, а на уровне продуктов их функциональной активности (т.е. на уровне белков). У больного синдромом Морриса взаимодействие невозможно, т.к. белок-рецептор отсутствует (произошла мутация в соответствующем гене). Теперь клетки организма перестают воспринимать тестостерон. Но у мужчин в надпочечниках (и немного в семенниках) вырабатывается женский половой гормон – эстроген. Поэтому у больного развивается женский фенотип.
Пара аллельных генов "А" и "а " возникает в результате мутации гена дикого типа: А → а. Это прямая (или рецессивная) мутация, но возможна и обратная (доминантная) мутация: а → А. Формы взаимодействия аллельных генов. Доминантность и рецессивность. Аллельный ген, который проявляется в признак, и его проявлению не мешает другой аллель данного гена – называется доминантным. Аллельный ген, который не проявляется в признак в присутствии доминантного – рецессивный Неполное доминирование. Иногда у гетерозиготы признак занимает промежуточное положение между доминантным и рецессивным. В таком случае говорят о неполном доминировании или промежуточном проявлении признака. Например: окраска цветков у ночной красавицы. АА – красный, аа – белый, Аа – розовый. У человека фенилкетонурия рецессивно наследуемое заболевание. Больные – рецессивные гомозиготы. Здоровые – доминантные гомозиготы. Гетерозиготы фенотипически здоровы, но активность фермента, который отвечает за превращение аминокислоты в фенилаланин у гетерозигот 50%. АА – 100%, аа – 0%, Аа – 50% Кодоминирование. Аллельные гены могут проявлять себя независимо друг от друга. Это означает, что их одновременное присутствие в генотипе приводит к развитию 2-х признаков, это явление называется кодоминированием. Например: наследование 4 группы крови у человека, по системе АВО. Аллель I0 рецессивен и по отношению к аллелю IА, и по отношению к аллели IВ. Между собой аллели IА и IВ кодоминантны, т.е. совместно доминирующие. В результате их взаимодействия появляется новый фенотипический признак – четвёртая группа крови. Межаллельная комплементация. Это редко встречающийся вариант взаимодействия аллельных генов (описана у некоторых дрожжей). В генотипе организма могут присутствовать два мутантных аллельных гена, в результате в клетке синтезируются две измененные полипептидные цепи. Затем эти полипептидные цепи взаимодействуют, и образуется четвертичная структура белковой молекулы. Эта структура практически ничем не отличается от структуры нормального белка, а значит, не изменяются и функции белка. Аллельное исключение. У женщин две Х-хромосомы, но одна из них на 16 день внутриутробного развития спирализуется и превращается в тельце Бара. Не спирализованная Х-хромосома несёт рецессивный ген, который теперь не подавляется доминантным геном и проявляется в фенотипе организма. Таким образом, у гетерозиготного организма рецессивный ген проявляется в признак (гемофилия, дальтонизм). Роль аллельных генов:
В результате ряда мутаций одного гена может возникнуть серия множественных аллелей. А – ген дикого типа. А → А' → А'' → А'''. О серии множественных аллелей говорят в том случае, если число членов сери равно трём или больше трёх. Наследование серии множественных аллелей подчиняется законам Менделя, т.к. : – все аллели данной серии отвечают за развитие одного и того же признака. – каждый член серии (кроме последнего) полностью или не полностью подавляет других членов этой серии. – в диплоидном организме присутствуют только два члена серии множественных аллелей. У человека по такому типу наследуются группы крови по системе АВО. Серия множественных аллелей включает 3 члена (IO, IA, I B), отвечающие за наличие агглютиногенов на поверхности эритроцитов. IO – рецессивный ген. IA и IB – доминантные гены. Группы Генотипы Агглютиногены Агглютинины I (0) IOIO Нет и II (A) IAIA IAIO А III (B) IВIВ IВIO В IV (AB) IAIВ А и В Нет
Неаллельные гены это гены, находящиеся в негомологичных хромосомах или разных участках одной хромосомы и отвечающие за развитие разных признаков. Выделяют следующие формы взаимодействия неаллельных генов: эпистаз, комплементарность, полимерия. Эпистаз – явление, при котором один ген подавляет действие другого НЕаллельного гена. Ген, который подавляет действие другого неаллельного гена, называется эпистатическим. Ген, действие которого подавляется, называется гипостатическим. Эпистатический ген может быть доминантным и рецессивным, поэтому различают доминантный и рецессивный эпистаз. Доминантный эпистаз. При этом эпистатический ген проявляет своё подавляющее действие, как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии. Например: желтая окраска тыквы обусловлена доминантным геном "А", а зеленая окраска – рецессивным генно "а". Но если в генотипе организма присутствует доминантный эпистатический ген "В" – то окраска у тыкв не развивается. ААВВ, АаВВ, АаВв, ААВв, ааВВ – белая окраска (наличие эпистатика "В") ААвв, Аавв – желтая окраска Аавв – зелёная окраска Рецессивный эпистаз. Рецессивный эпистатический ген проявляет своё действие только в гомозиготном состоянии. Он подавляет неаллельный ген, находящийся как в доминантном, так и рецессивном состоянии. Например, бомбейский феномен: у женщины с первой группой крови родился ребёнок с четвёртой группой. На самом деле генотип женщины был не I0I0, а IBIO, но в другой хромосоме присутствовал в гомозиготном состоянии рецессивный эпистатический ген hh. Этот ген подавлял проявление гена "В", и фенотипически группа крови определялась как первая. Итак, генотип женщины IBIOhh, а генотип её мужа IАIOНН (вторая группа крови). От этого брака и родились два ребёнка: с первой группой крови (I0I0Нh), и с четвёртой (IА IB Нh). Рецессивный эпистаз также является причиной рождения альбиносов у африканских негров.
Комплементарность (новообразование при скрещивании). Это такая форма взаимодействия неаллельных генов, когда признак развивается при одновременном присутствии в генотипе двух доминантных неаллельных генов. Каждый из этих генов не имеет самостоятельного проявления по данному признаку. Например: нормальный слух у человека развивается в том случае, если в генотипе присутствует два доминантных неаллельных гена "А" и "В". ААВВ, АаВв, ААВв, АаВВ – нормальный слух. ААвв, Аавв, ааВВ, ааВв, аавв – глухота. Эффект положения – взаимодействие неаллельных генов, обусловленное их положением в одной хромосоме. Гены, находящиеся рядом с данным геном, взаимодействуют с ним, при этом может изменяться фенотипическое проявление данного гена. Например, мобильные генетические элементы (прыгающие гены) могут оказаться рядом со структурным геном, и изменить его активность (повысить или понизить).
Полимерия – явление, когда несколько неаллельных доминантных генов отвечают за развитие одного признака. Т.к. признак один и тот же, то эти гены обозначают одинаковой буквой, но с разными индексами: А1А2А3 ……Аn. Полимерия – это явление полигенной наследственности. По такому типу наследуются количественные признаки (рост, телосложение, цвет кожи, умственные способности). Чем больше доминантных генов, тем ярче выражен признак в фенотипе. Так окраска кожи человека определяется четырьмя доминантными аллелями "Р": Р1 Р2 Р3 Р4 . Генотип негра: Р1Р1Р2Р2Р3Р3Р4Р4 Генотип белокожего человека: Р1Р1Р2Р2Р3Р3Р4Р4 Генотип мулата: Р1Р1Р2Р2Р3Р3Р4Р4
Фенотипическое проявление гена в признак зависит от состояния генотипа и условий внешней среды. Поэтому у одних организмов признак может быть ярко выражен, а у других этот же признак менее ярко выражен. В связи с этим в генетику вводится понятие экспрессивность и пенетрантность при характеристике фенотипического проявления генов. Экспрессивность – это степень выраженности гена в фенотипе носителей данного аллеля. Это качественный показатель работы гена. Экспрессивность может быть полной или изменяющейся. Так у желтого гороха при ряде заболеваний окраска венчика выражена сильнее или слабее. Пенетрантность – это степень проявления гена в признак. Это количественный показатель, он выражается в проценте особей, у которых данный ген проявляется в признак. Поле действия гена. Если поле действия гена широкое, то ген может отвечать за несколько признаков или отвечать за один признак, но влиять на проявление в фенотипе другого признака. Если поле действия гена узкое, то ген отвечает за один признак. Плейотропия, или множественное действие гена. Наряду с явлением взаимодействия генов есть много примеров влияния одного и того же гена на проявление разных признаков. У человека есть ген, определяющий рыжую окраску волос. Этот же ген обуславливает более светлую окраску кожи, а также появление веснушек. У больного болезнью Марфана (доминантный ген 15 хромосомы) отмечается совокупность аномалий, контролируемых одним и тем же геном: длинные, слегка согнутые пальцы, подвывих хрусталика, высокий свод стопы, впалая грудная клетка, хриплый голос и др. В основе множественного действия гена лежит его раннее проявление в онтогенезе. Генокопии – это ряд сходных по внешнему проявлению признаков, которые обусловлены различными неаллельными генами. Фенилкетонурия возникает при дефиците синтеза двух ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию превращения фенилаланина в тирозин. Синтез ферментов (фенилаланингидроксилаза и дегидроптеридинредуктаза) контролируется разными генами, а фенотипическое проявление болезни одинаковое. Крыс до 50-х годов прошлого века успешно травили зоокумарином. В результате ряда мутаций у них появились 7 разных генов (7 генокопий), обеспечивающих устойчивость крыс к зоокумарину.
В генотипе постоянно происходит:
Таким образом, мы можем сделать вывод, что генотип человека – это не россыпь отдельных генов, а целостная система взаимодействующих генов, которая сформировалась в ходе эволюции. ЛЕКЦИЯ 8 Молекулярные основы наследственности.
В 1953 году была расшифрована пространственная структура ДНК. Возник вопрос: если ДНК отвечает за наследственные признаки то, как закодирована в ДНК наследственная информация о признаках и свойствах организма, т.е. о белках. В 1961 году Ф. Крик ввел понятие генетического кода и охарактеризовал его свойства. Генетический код – это принцип записи наследственной информации о последовательности аминокислот в белке, через последовательность нуклеотидов в ДНК. Генетический код обладает несколькими свойствами: 1. триплетность. Структура белка определяется последовательностью аминокислот. Последовательность аминокислот в белке кодируется последовательностью нуклеотидов в ДНК. В состав белков организмов входят 20 аминокислот, а нуклеотидов всего четыре, следовательно, для кодирования всех аминокислот необходимо сочетание нуклеотидов. Пары нуклеотидов дадут возможность кодирования 16 (42) аминокислот. Тройки нуклеотидов (триплет, или кодон) позволяют получить 64 (43) комбинации, что достаточно для кодирования всех аминокислот. 2. вырожденность. Раньше считали, что каждая аминокислота кодируется своим кодоном, тогда получалось, что 44 кодона (64-20 = 44) являются лишними. Оказалось, что одним кодоном кодируются только две аминокислоты (метионин и триптофан), остальные кодируются 2,3,4,6 кодонами. Так аминокислоты лейцин, серин, аргинин кодируются шестью кодонами каждая. Такие кодоны называются кодоны – синонимы. Кодирование одной аминокислоты несколькими кодонами и есть вырожденность. Всего в кодировании занят 61 кодон. Три кодона: АТТ, АТЦ, АЦТ кодируют не аминокислоты, а окончание записи информации о первичной структуре белка в молекуле ДНК (как точка в конце предложения). Это стоп – кодоны, которые являются последним кодонами гена. Когда стоп-кодоны перепишутся на и-РНК, они будут выглядеть так: УАА, УАГ, УГА. Теперь они будут означать окончание синтеза белка. 3. неперекрываемость – последний нуклеотид предыдущего триплета не является началом следующего триплета 4. без запятых – за одним кодоном идет следующий кодон, между кодонами нет промежутков и нет одиночных оснований 5. специфичность– каждый кодон кодирует только одну аминокислоту 6. универсальность – сущность кодирования одинакова от бактерий до человека. Кроме ДНК мито хондрий и пластид, ресничных простейших и микоплазмы (бактерии, не имеющие клеточной стенки).
Центральная догма биологии выглядит так: транскрипция трансляция   ДНК РНК белок функцияпроцессинг Транскрипция – синтез матричной (информационной) РНК на матрице ДНК. Или: перенос генетической информации с ДНК на матричную РНК (мРНК) Трансляция – декодирование мРНК, при этом информация с языка последовательности нуклеотидов переводится на язык последовательности аминокислот в белке. Транскрипция это сложный процесс, который требует участия большого числа транскрипционных факторов и ферментов. Основной фермент транскрипции, называется РНКполимераза. Особенности РНКполимераз: 1. основой РНКполимеразы являются нуклеотиды АТФ, ЦТФ, ГТФ и УТФ 2. РНКполимераза способна расплетать ДНК 3. для начала синтеза мРНК не требуется затравка 4. РНКполимеразы не имеет корректирующей активности (при синтезе мРНК она делает одну ошибку на 104 оснований, при репликации ДНКполимераза делает одну ошибку на107 оснований) 5. во время синтеза мРНК только часть молекулы спарена с ДНК. Выделяют 3 этапа транскрипции: стадия инициации, стадия элонгации, стадия терминации. І. Стадия инициации. РНКполимераза связывается с промотором (специфическая последовательность нуклеотидов перед геном). Промотор – регуляторная последовательность в 5' области гена, определяющая место прикрепления РНКполимеразы к ДНК. В промоторе имеется две последовательности, играющие важную роль в инициации транскрипции. Эти последовательности называются ТАТА-бокс и домен ЦААТ. С ними связываются специфические белки, после чего промотор отмечает для РНКполимеразы место начала транскрипции. Это место называется стартовая точка. Именно здесь РНКполимераза расплетает ДНК на участке длиной 10-20 нуклеотидов. ІІ стадии элонгации (удлинения). РНК-полимераза движется вдоль этого участка, синтезируя молекулу мРНК. Молекула мРНК собирается по принципу комплементарности из свободных нуклеотидов за счёт образования между ними диэфирных связей. ЦДНК Г РНК ГДНК ЦРНК ТДНК АРНК АДНК УРНК ІІІ. Стадия терминации. Синтез РНК продолжается до тех пор, пока РНК-полимераза не достигнет особой последовательности нуклеотидов, которая называется терминирующий сигнал транскрипции или терминатор. На этом транскрипция заканчивается, молекула и-РНК освобождается, двойная спираль ДНК восстанавливается. Последовательность ДНК, транскрибируемая в одну молекулу мРНК, называется транскриптон, или транскрипционная единица. Транскриптон начинается промотором и заканчивается терминатором, он может включать в себя либо один ген, либо несколько генов. У прокариот существует 1 вид РНКполимеразы. У эукариот существует 3 вида РНКполимеразы. РНКполимераза 1 – отвечает за синтез 5,8S рРНК, 18S рРНК, 28S рРНК. Она находится в ядрышке. РНКполимераза 2 – отвечает за синтез мРНК, мяРНК, мкРНК, миРНК. Она находится в цитоплазме. РНКполимераза 3 – отвечает за синтез 5S рРНК, тРНК, часть мяРНК и другие малые РНК. Она находится в рибосомах. (мяРНК – малые ядерные РНК; мкРНК – микроРНК, миРНК – малые интерферирующие РНК). В результате транскрипции образуется первичный транскрипт мРНК (незрелая мРНК, преРНК). Транскриптом – совокупность всех транскриптов, синтезируемых одной клеткой, включая мРНК и некодирующие РНК. У прокариот первичный транскрипт мРНК сразу становится матрицей для синтеза белка. У эукариот первичный транскрипт мРНК, находясь в ядре клетки, подвергается процессингу. Процессинг – формирования зрелых мРНК из первичных транскриптов. Он включает три процесса: кэпирование, сплайсинг, полиаденилирование. Кэпирование После транскрипции более 20 первых нуклеотидов к 5' концу мРНК присоединяется метилированный гуанилового нуклеотида. Нуклеотид связывается 5' – 5' фосфодиэфирной связью с исходным 5' концом мРНК (обратная ориентация). Значение кэпирования:
Сплайсинг – это вырезание интронов из молекулы мРНК и сшивание экзонов при помощи ферментов лигаз. Эти ферменты ориентируются на пары нуклеотидов (ГУ и АГ), которые ограничивают с обеих сторон каждый интрон. Сплайсинг происходит с участием мультимолекулярного комплекса – сплайсосомы, в который входят белки и малая ядерная РНК. Именно малая я-РНК узнаёт нуклеотиды, ограничивающие интрон. При нарушении сплайсинга возникают наследственные заболевания. Например, фенилкетонурия возникает при нарушении сшивания 13 и 14 зкзонов в гене фермента фенилаланингидроксилазы. Альтернативный сплайсинг – это форма сплайсинга, при которой соединение экзонов в процессе созревания мРНК происходит в разных комбинациях. Альтернативный сплайсинг обеспечивает кодирование одним геном различных белков. Он обеспечивает эффективный и экономичный способ кодирования множества белков ограниченным числом нуклеотидов. В организме человека функционирует примерно 300.000 белков (а может и 500.000), их совокупность называется протеом. В то же время генов, которые кодирует эти белки примерно 22-24.000. Более 70% генов человека подвергаются альтернативному сплайсингу. Полиаденилирование – к 3' концу молекулы мРНК присоединяется от 100 до 200 остатков адениловой кислоты. Образуется поли-А-участок. Этот участок стабилизирует молекулу мРНК, и способствует ее выходу из ядра в цитоплазму. В результате процессинга в ядре формируется зрелая молекула мРНК, которая перемещается из ядра в цитоплазму для синтеза белка. Только 3–5% зрелых мРНК попадают в цитоплазму, остальные разрушаются в ядре. Итак, зрелая мРНК эукариот имеет следующее строение. Кэп 5' нетранслируемая область АУГ транслируемая область УГА 3'нетранслируемая область ААААА У эукариот происходит процессинг рРНК и тРНК. Процессинг рРНК осуществляется путём выщепления трёх типов РНК, а процессинг тРНК – путём разрезания первичного транскрипта и подравнивания.
Трансляция – это процесс биосинтеза белка на матрице мРНК. Для этого процесса необходимы рибосомы, аминокислоты, мРНК, тРНК, ферменты, активирующие аминокислоты, АТФ. Трансляция очень энергоёмкий процесс, на неё затрачивается 90% АТФ, ибо скорость сборки белка огромна (белок из 100 аминокислот собирается за 5 сек). Рибосома состоит из двух субъединиц: малой (1молекула 18S рРНК и 30 молекул белков) и большой (три молекулы рРНК – 5S, 5,8S, 28S и 40 молекул белка). Функционально рибосома представляет собой молекулярную машину, которая протягивает через себя мРНК, считывает генетическую информацию и осуществляет синтез полипептидной цепи. В каждой клетке содержится около 10млн рибосом. мРНК начинается инициирующим кодоном, а заканчивается стоп кодоном и присоединённым к нему поли(А)хвостом. Между ними находится транслируемая область. У эукариот мРНК моноцистронная, т.е. она кодирует только одну полипептидную цепь. тРНК – класс низкомолекулярных нуклеиновых кислот, содержащих от 70 до 90 нуклеотидов. У тРНК имеется первичная, вторичная, и третичная структура. Первичная структура – последовательность нуклеотидов в молекуле тРНК. Вторичная структура тРНК имеет вид листка клевера, это связано с тем, что между отдельными нуклеотидами возникают водородные связи по принципу комплементарности. На одном конце молекулы тРНК имеется участок, состоящий из 3-х нуклеотидов – это антикодон, он узнает соответствующий кодон в молекуле тРНК. На другом конце молекулы находится акцепторный участок, к которому присоединяется соответствующая аминокислота. Третичная структура тРНК образуется при участии дополнительных водородных связей, она напоминает по форме латинскую букву L. тРНК выполняет две функции: акцепторную и адаптерную. Акцепторная функция состоит в способности тРНК связываться ковалентно с остатком аминокислоты, превращаясь в аминоацил-тРНК. Это происходит при помощи фермента аминоацил-тРНК синтетазы. Для каждой аминокислоты существует своя тРНК и своя аминоацил-тРНК синтетаза. Адапторная функция состоит во взаимодействии антикодона тРНК с кодоном мРНК, что обеспечивает включение аминокислоты в законное место растущей цепи белка. Таки образом, тРНК переводит генетическую информацию с языка нуклеотидной последовательности на язык белка. В процессе трансляции выделяют 3 стадии:
Стадия инициации начинается после распада рибосомы на малую и большую субъединицы и образования инициаторного комплекса. Инициаторный комплекс состоит из малой субъединицы рибосомы, мРНК, инициаторной тРНК и факторов инициации. Инициаторная тРНК узнаёт старт кодон АУГ, который кодирует аминокислоту метионин. Этот процесс катализируется факторами инициации. После этого присоединяется большая субъединица рибосомы и образуется функциональная единица для синтеза белка (проще говоря, образуется рибосома). После формирования инициаторного комплекса инициаторная метионин-тРНК поступает в Р-участок рибосомы, и здесь формируется первая пептидная связь (–СО–NH–). В рибосоме имеются два участка:
На стадии элонгации происходит наращивание полипептидной цепи на рибосоме. Элонгация состоит из трёх этапов: узнавание кодона мРНК, образование пептидной связи, транслокация. Узнавание кодона мРНК – это связывание антикодона с очередной тРНК с кодоном мРНК по принципу комплементарности. Образование пептидной связи – карбоксильный конец пептида отделяется от тРНК в П-участке и прикрепляется за счёт пептидной связи к аминокислоте, связанной с тРНК в А-участке. Образуется пептидил-тРНК. Этот процесс осуществляется при участии фермента пептидилтрансферазы, находящейся в рибосоме. Транслокация – вновь образовавшийся пептидил-тРНК перемещается с А-участка рибосомы в П-участок. При этом рибосома передвигается на один кодон. Так повторяется много раз. Терминация – в А-участке рибосомы оказывается терминирующий кодон (стоп кодон). С ним связываются факторы терминации. Происходит гидролиз связи между пептидом и тРНК. тРНК отсоединяется от мРНК и рибосома распадается.
В 1902 году Арчибальд Гаррод, изучая наследственные болезни, связанные с дефектом обмена веществ, предположил, что за синтез определённого фермента отвечает один ген (гипотеза один ген – один фермент). Позднее Бидл и Тейтем (Татум) экспериментально доказали это положение. В конце 40-х годов ученые установили, что синтез всех белков (а не только ферментов) находится под контролем генов. Гипотеза приобрела вид: один ген – один белок. Однако с открытием мультимерных белков (молекула таких белков состоит из нескольких полипептидных цепей) встал вопрос: один ген кодирует синтез всех цепей или каждая полипептидная цепь кодируется своим геном? В 1957г Ингрэм установил, что причина серповидно-клеточной анемии – генная мутация, приводящая к замене в молекуле гемоглобина в 6 положении глутаминовой кислоты на валин. Белок гемоглобина человека (глобин) состоит из двух α-цепей и двух β- цепей. Замена аминокислоты всегда наблюдается только в β-цепи, а α-цепь остаётся нормальной. Следовательно, мутировавший ген кодирует только одну цепь, а вторая цепь кодируется другим геном. Позже выяснили, что гены, кодирующие α-цепь находятся в 16 хромосоме, а гены, кодирующие β-цепь находятся в 11 хромосоме. Гипотеза приобрела вид: один ген – одна полипептидная цепь. 5. Регуляция экспрессии генов у прокариот и эукариот. Впервые регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции была изучена у прокариот в 1961 году французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно. Они предложили модель оперона.Оперон – это группа тесно сцепленных генов, находящихся под контролем общего промотора и общего оператора и транскрибируемых как единая мРНК. Оперон находится под контролем гена регулятора. Известно, что последовательности нуклеотидов оператора и промотора перекрываются, а ген регулятор может находиться в другом опероне. У прокариот мРНК является полицистронной, т е. она может быть использована для синтеза нескольких белков. Ген регулятор кодирует синтез белка репрессора. Этот белок взаимодействует с оператором и блокирует его. Если заблокирован оператор, то блокируется и часть промотора. РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поэтому транскрипция не происходит и синтез белка не идёт. Это не активное состояние оперона. При связывании белка репрессора ген оператор и промотор открыты, РНК-полимераза начинает процесс транскрипции, и происходит синтез белка. Что же связывает белок репрессор? -- вещества, которые могут находиться в клетке или поступающие в неё извне. Эти вещества называются индукторами (индукция – наведение, запуск). Допустим, что индуктором является поступившая в клетку глюкоза. Индуктор связывается с белком репрессором и блокирует его. Теперь ген оператор освобождается от белка репрессора и запускает процесс синтеза белка фермента, который будет переваривать глюкозу. Такое состояние оперона называется активным. Синтез белка будет идти до тех пор, пока образовавшийся белок (фермент) не переварит всю глюкозу. При этом освобождается репрессор, который блокирует ген оператор и прекращает процесс транскрипции. У эукариот выделяют несколько уровней регуляции экспрессии генов.
Регуляция экспрессии генов на уровне инициации транскрипции. В этом процессе принимают участие дополнительные регуляторные элементы: промоторы, энхансеры, сайленсеры и инсуляторы.
Энхансеры в свою очередь находятся под контролем инсуляторов. Инсуляторы – последовательности ДНК, которые способны блокировать взаимодействие между энхансером и промотором, но только в том случае, если находятся между ними. Регуляция экспрессии генов на уровне процессинга. Это регуляция функциональных генов в результате альтернативного сплайсинга. При альтернативном сплайсинге образуются различные формы мРНК из одного и того же гена и, как результат, образование разных белков (изоформ белка) РНК–интерференция – подавление экспрессии генов у эукариот на посттранскрипционном уровне, вызванное короткими интерферирующими РНК (миРНК). Регуляторные малые интерферирующее РНК – это двухцепочные РНК длиной 19-25 п.н., которые вызывают разрушение мРНК. Они дают сигнал ферментам (эндонуклеазам), которые разрушают мРНК, а, значит, блокируют трансляцию и прекращают работу генов. РНК–интерференция обнаружена у большинства эукариотов, включая человека. Регуляция экспрессии генов на уровне трансляции осуществляется в трёх вариантах. позитивной и негативной регуляции. 1. позитивная регуляция осуществляется на основе сродства мРНК с факторами инициации. Факторы инициации (специфические белки) катализируют образование инициаторного комплекса. 2. негативная регуляция осуществляется с помощью белков-репрессоров, которые связываясь с мРНК, блокируют инициацию трансляции. 3. подавление трансляции с помощью регуляторных микроРНК, которые связываются с мРНК-мишенью, блокируют трансляцию и запускают процесс разрушения мРНК. мкРНК – одноцепочные РНК длиной 18-24 нуклеотида, кодируемые специальными генами. Посттрансляционные механизмы регуляции. Синтезируемые при трансляции полипептиды подвергаются многочисленным превращениям и модификациям:
6. Классификация генов: структурные и регуляторные. Все гены клетки в организме можно разделить на 2 группы, это: – структурные гены, которые отвечают за все белки организма, за рРНК, и тРНК. – регуляторные гены, которые соответственно регулируют работу структурных генов. 7. Цитоплазматическая наследственность. Главная роль в передаче наследственных свойства принадлежит хромосомам. С ними связаны закономерности, открытые Г. Менделем. Но ряд органоидов, расположенных в цитоплазме содержит ДНК (митохондрии, пластиды). Их ДНК способна к репликации, и с ней может быть связана передача цитоплазматической наследственности. Существуют сорта львиного зева, ночной красавицы и некоторых других растений, у которых наряду с зелёными листьями встречаются пёстрые, с белыми пятнами – участкам, лишёнными хлорофилла. В связи с тем, что организм, образуемый вследствие оплодотворения, получает цитоплазматические структуры главным образом от яйцеклетки, цитоплазматическое наследование признаков осуществляется по материнской линии. В клетках прокариот и эукариот обнаруживаются плазмиды – отрезки ДНК, имеющие кольцевую или линейную форму и способные к самостоятельной (независимо от ядра) репликации. У бактерии наблюдается передача плазмид от клетки к клетке при их непосредственном контакте, а распределение их по дочерним клеткам при делении происходит случайно. Наличие плазмид может обеспечивать устойчивость бактерий к определённым антибиотикам. У растений и животных плазмиды могут существенно влиять на свойства многоклеточного организма. ЛЕКЦИЯ 9 Фенотипическая и генотипическая изменчивость. |