Мейоз и его генетическая сущность

Активная работа структурных генов у эукариот зависит от того, какую функцию выполняет клетка в соответствующих тканях или органах. Значительная часть генов в ядрах дифференцированных клеток находится в репрессивном состоянии, при этом регуляция генной активности связанны с образованием стойкого комплекса ДНК с белками – хроматина. Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гистонам, поэтому они, несомненно, участвуют в процессах регуляции генной активности. Непременным условием для осуществления транскрипции у эукариот является предварительная декомпактизация хроматина на соответствующем участке, где временно утрачивается связь с Н1-гистонами и насколько ослабляется связь с нуклеосомными гистонами. Правда, нуклеосомная организация хроматина не утрачивается даже в ходе транскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых белков становится возможным и происходит дерепрессия гена.

Условно структурные гены эукариот могут быть по их активности подразделены на несколько типов. К первому типу могут быть отнесены гены, функционирующие во всех клетках организма. Это гены, кодирующие ферменты энергетического обмена, ферменты, необходимые для синтеза аминокислот, а также гены, контролирующие образование мембраны и других структурных белков. Ко второму типу можно отнести гены, контролирующие синтез миозина в мышечных клетках, коллагена – в костях и т.д. К третьему типу могут быть отнесены гены специализированных клеток, выполняющие важные, но узкие функции – синтез глобина в эритроцитах, гормонов в эндокринных железах и т.д.

Характерно, что в отличие от прокариот мРНК в клетках эукариот может сохраняться довольно продолжительное время, не теряя свои функций. Так, например, у животных ряд типов мРНК синтезируется в оогенезе, сохраняется в яйцеклетке и начинает функционировать на рибосомах после оплодотворения, оказывая значительное влияние на эмбриональное развитие.

Особенностью регуляции транскрипции у эукариот является подчиненность этих процессов регулирующим влиянием со стороны гормонов организма. Последние часто играют роль индукторов транскрипции. Так, некоторые стероидные гормоны обратимо связываются особыми белками-рецепторами, образуя с ними комплексы. Активированный гормоном рецептор приобретает способность соединяться со специфическими участками хроматина, ответственными за регуляцию активности генов, в которых рецепторы узнают определенные последовательности ДНК.

Специфичность регулирующего воздействия гормона на транскрипцию обусловлена не только природой самого гормона, но и природой клетки-мишени, синтезирующей специфический белок-рецептор, который влияет на транскрипцию определенного для данной клетки набора генов. Примером участия гормонов в регуляции активности определенных генов может служить влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-рецептора. Отсутствие последнего при мутации соответствующего гена не дает возможности гормону проникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение определенного набора генов: развивается синдром тестикулярной феминизации, или синдром Морриса.

У эукариот возможна регуляция синтеза белка на уровне трансляции. При этом имеют значение типы тРНК и ферментов, активирующих соответствующие аминокислоты, а также вырожденность генетического кода. Большая часть аминокислот кодируется несколькими триплетами, получившими название изоакцепторных кодонов. Одна и та же аминокислота может доставляться на мРНК несколькими типами тРНК. Так, кодирование аминокислоты аргинин может происходить посредством кодонов ЦГЦ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ, АГА, АГГ. Процесс трансляции зависит также от состояния тРНК, рибосом, наличия или отсутствия соответствующих готовые белковые молекулы.

Регуляция на стации трансляции является наиболее экономичной, но недостаточно быстро реагирующей на изменение ситуации. Так, возникшая в клетке потребность в каком-либо белке не может быть быстро удовлетворена путем включения транскрипции соответствующего гена. Синтезированный транскрипт должен подвергнуться процессингу, затем зрела мРНК должна выйти из ядра в цитоплазму и, образуя комплекс с рибосомами, осуществить трансляцию информации, синтезировав пептид, который, лишь пройдя посттрансляционное изменение, формирует активный белок, необходимый клетке.

В том случае, когда клетке нужно прекратить синтез какого-то продукта, после выключения транскрипции соответствующего гена в цитоплазму некоторое время будут продолжать поступать созревающие молекулы мРНК, осуществляющие там синтез пептидных цепей, пока они не деградируют под действием ферментов. Таким образом, для эффективной регуляции экспрессии генов у эукариот должны существовать механизмы, работающие не только на стадии транскрипции, но и на других этапах этого процесса.

Молекула ДНК в процессе биосинтеза осуществляет реализацию наследственной информации. Этот процесс, несмотря на некоторые особенности, характерные для прокариот и эукариот, является, по сути, единым для всего органического мира путем воплощения наследственной информации в свойства и признаки.

23. Генетический  код и его свойства (вырожденность, универсальность, неперекрываемость)

Перевод информации, заключенной в полинуклеотидной последовательности мРНК, в аминокислотную последовательность белка требует определенного способа кодирования или шифрования, т.е. существования определенного закона, по которому чередование четырех нуклеотидов в мРНК задаёт специфическую последовательность аминокислот в белке.

Необходимость кодирования структуры белков в линейной последовательности нуклеотидов мРНК и ДНК продиктована тем, что в ходе трансляции:

- нет соответствия между  числом мономеров в матрице  мРНК и продукте – синтезируемом  белке;

- отсутствует структурное  сходство между мономерами РНК  и белка.

Это исключает комплементарное взаимодействие между матрицей и продуктом – принцип, по которому осуществляется построение новых молекул ДНК и РНК в ходе репликации и транскрипции.

Отсюда становиться ясным, что должен существовать "словарь", позволяющий выяснить, какая последовательность нуклеотидов мРНК обеспечивает включение в белок аминокислот в заданной последовательности. Этот "словарь" получил название генетического, биологического, нуклеотидного, или аминокислотного кода. Генетический код – основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв: A, G, T, C.

Но каким же образом передается информация от РНК, содержащей всего четыре нуклеотида, на белок, содержащий 20 различных аминокислот? Если бы каждый нуклеотид передавал информацию на синтез одной аминокислоты, то всего кодировалось бы 4 аминокислоты. Не может код состоять из двух нуклеотидов, так как в этом случае можно было бы охватить не более 16 аминокислот (42=16). Работами М. Ниренберга и соавторов было установлено, что для кодирования одной аминокислоты требуется не менее трех последовательно расположенных нуклеотидов, называемых кодонами или триплетами. При этом между отдельными кодонами нет промежутков, и информация записана слитно, без знаков препинания. Число сочетаний 43 дает основание полагать, что 20 аминокислот кодируется 64 кодонами. Экспериментально доказано, что таких кодонов меньше, всего 61, а 3 остальных UAA, UAG и UGA не несут в себе информации и первоначально были названы бессмысленными, или нонсенс-кодонами. Однако в дальнейшем было показано, что эти триплеты сигнализируют о завершении трансляции, и поэтому их стали называть терминирующими, или стоп-кодонами.

Кодоны мРНК и триплеты нуклеотидов в кодирующей нити ДНК с направлением от 5¢ к 3¢ - концу имеют одинаковую последовательность азотистых оснований, за исключением того, что в ДНК вместо урацила, характерного для мРНК, стоит тимин.

Выявлена также интересная особенность взаимодействия кодона с антикодоном. Оказалось, что первое и второе азотистые основания кодона образуют более прочные связи с комплементарными основаниями антикодона. Что же касается третьего основания, то эта связь менее прочная, более того, основание кодона может спариваться с другим, не комплементарным основанием антикодона. Этот феномен называют механизмом неоднозначного соответствия или качания. В соответствии с этим урацил антикодона может взаимодействовать не только в аденином, но и гуанином кодона. Гуанин антикодона способен связываться не только с цитозином, но и с урацилом кодона. Это указывает на возможность нескольких кодонов кодировать одну и туже аминокислоту. И действительно было установлено, что ряд аминокислот кодируется двумя и более антикодонами. Из таблицы видно, что только две аминокислоты - метионин и триптофан – кодируются при помощи одного кодона. Тот факт, что одной и той же аминокислоте соответствует несколько кодонов, называется вырожденностью генетического кода. Биологический смысл этого явления связан, по-видимому, с возможностью более быстрого отделения тРНК от мРНК, что очень важно для процесса белкового синтеза.

Генетический код – свойственная живым организмам система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, отражающих аминокислотную последовательность в молекуле белка.

Свойства генетического кода:

1. Триплетность – каждой аминокислоте соответствует сочетание из 3-х нуклеотидов, последовательно расположенных в цепи ДНК. Из 4-х элементов (нуклеотидов) по 3 можно составить 64 различных сочетания -триплета, - что с избытком достаточно для кодирования всех 22-х альфа-аминокислот. Причем, 61 триплет кодирующий, т. е. им соответствует какая либо аминокислота, а 3 триплета не соответствуют ни одной аминокислоте. Эти триплеты – сигналы окончания синтеза полипептидной цепи. Необходимость таких триплетов вызвана тем, что в ряде случаев на и-РНК осуществляется синтез нескольких полипептидных цепей, для отделения их друг от друга и используются указанные триплеты. Их называют «стоп-кодоны» или «нонсенс-кодоны».

2. Однозначность или специфичность – каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.

3. Избыточность или вырожденность – каждая кислота может быть зашифрована более чем одним кодоном, или триплетом. Например, аминокислоте глицин соответствует 4 кодона: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ. Но чаще у аминокислот их 2 – 3.

4. Универсальность – все живые организмы имеют один и тот же генетический код от амёбы до человека. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех живых существ. Это свойство генетического кода подтверждает единство происхождения всего живого на Земле и эволюцию живого.

5. Непрерывность – между кодонами внутри гена нет промежутков, знаков препинания, точек, тире. При считывании информации с молекулы ДНК ген транскрибируется полностью, всегда целиком. Ген – наименьшая функционально неделимая единица наследственной информации.

6. Неперекрываемость – информация всегда списывается по три нуклеотида, триплетами. Конечный нуклеотид одного триплета не может служить началом следующего. Поскольку генетический код подобен языку, разберём это его свойство на примере такой, составленной из триплетов (слов, в которых три буквы), фразы:жил был кот тих был сер мил мне тот кот. Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если же мы уберём в слове «кот» букву «т», поскольку следующее слово всё равно начинается этой буквой и, возможно, достаточно одной (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв (триплетность генетического кода), то получится бессмыслица: жил был кот ихб ылс ерм илм нет отк от… Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания.

До последнего времени генетический код считался абсолютно универсальным. Теперь стало известно, что набор тРНК в митохондриях клеток как низших, так и высших эукариотических организмов, считывает 4 кодона иначе, чем тРНК-молекулы цитоплазмы этих же или любых других клеток. В митохондриях необходимы только 22 вида тРНК, в то время как для синтеза белка в цитоплазме используется весь набор, включающий 31 вид тРНК-молекул. И все же, за вышеупомянутым исключением, генетический код – универсален. До расшифровки генетического кода было невозможно понять механизм синтеза белка и объяснить происхождение мутаций. Открытие генетического кода позволило ответить на вопрос о том, как связаны между собой дефекты определенных белков человека и наследственные заболевания. Кроме того, благодаря расшифровке генетического кода были созданы необходимые предпосылки для диагностики и лечения таких заболеваний.

24. Ген: строение, механизм  действия (на примере заболеваний  фенилкетонурией и альбинизм)

Молекулярное строение гена у прокориот.

В связи с тем, что у прокариот геном организован в виде кольцевидной молекулы ДНК, расположенной непосредственно в цитоплазе клетки, различные этапы реализации наследственной информации практически не разобщены ни во времени, ни в пространстве. Транскрипция и сборка пептидной цепи - трансляция протекают практически одновременно. По мере освобождения начала молекулы иРНК от матрицы ДНК к ней присоединяются рибосомы и начинается синтез пептидных цепей.

Молекулярное строение гена у эукориот. Геном эукариот организован сложнее, чем у прокариот. Для него характерен хромосомный уровень организации. В хромосомах ДНК находится в окружении белков. В геноме эукариот имеется много избыточной ДНК. В конце 70-х годов было высказано предположение о наличии в генетическом материале эукариот неинформативных участков - нитронов, которые вставлены между информативными - экзонами. Интронноэкзонная организация генов у эукарит определяет необходимость преобразования первичного транскрипта (преинформационной РНК - продукта транскрипции) в зрелую иРНК. Она должна быть освобождена от неинформативных участков и защищена против разрушающего воздействия ферментов цитоплазмы.

Н а с л е д с т в е н н ы е  б о л е з н и  ч е л о в е к а.  Г е н н ы е  б о л е з н и

Связаны с изменением активности или полной блокадой некоторых ферментов. Результат – нарушения обмена веществ.

Н а р у ш е н и е  а м и н о к и с л о т н о г о  о б м е н а:

Альбинизм : молочный цвет кожи, очень светлые волосы, отсутствует пигмент в радужной оболочке глаза, повышенная чувствительность к солнечному свету.