загрузка...
загрузка...
На головну

БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ І ФУНКЦІЇ ГЕНОВ.

  1. II. ФУНКЦІЇ
  2. II. функції
  3. II. ФУНКЦІЇ
  4. II. функції ІТС
  5. II. ФУНКЦІЇ ЦУП
  6. XI. Пристосування ТА ІНШІ ЕЛЕМЕНТИ, властивості. Здібностей та обдарувань АРТИСТА
  7. Адвокат і його функції

8.1. Ген як дискретна одиниця спадковості

Одним з фундаментальних понять генетики на всіх етапах її розвитку було поняття одиниці спадковості. У 1865 році основоположник генетики (науки про спадковість і мінливість) Г. Мендель на підставі результатів своїх дослідів на горосі прийшов до висновку, що спадковий матеріал дискретний, тобто представлений окремими одиницями спадковості. Одиниці спадковості, які відповідають за розвиток окремих ознак, Г.Мендель назвав «задатками». Мендель стверджував, що в організмі по будь-якою ознакою є пара алельних задатків (по одному від кожного з батьків), які між собою не взаємодіють, не змішуються і не змінюються. Тому, при статевому розмноженні організмів в гамети потрапляє лише один з спадкових задатків в «чистому» незмінному вигляді.

Пізніше припущення Г. Менделя про одиниці спадковості отримали повне цитологічне підтвердження. У 1909 році датський генетик В. Йогансен назвав «спадкові задатки» Менделя генами.

В рамках класичної генетики ген розглядається як функціонально неподільна одиниця спадкового матеріалу, що визначає формування будь-якого елементарного ознаки.

Різні варіанти стану певного гена, що виникли в результаті змін (мутацій), отримали назву «аллели» (алельних гени). Кількість алелей гена в популяції може бути значним, але у конкретного організму число алелей певного гена завжди дорівнює двом - по числу гомологічниххромосом. Якщо в популяції кількість алелей будь-якого гена більше двох, то таке явище отримало назву «множинного алелізм».

Гени характеризуються двома протилежними за біологічним значенням властивостями: високою стабільністю своєї структурної організації і здатністю до спадкових змін (мутацій). Завдяки цим унікальним властивостям забезпечується: з одного боку - стійкість біологічних систем (незмінюваність в ряді поколінь), а з іншого - процес їх історичного розвитку, формування адаптацій до умов навколишнього середовища, тобто еволюція.

8.2. Ген як одиниця генетичної інформації. Генетичний код.

Ще Аристотель понад 2500 років тому висловив припущення про те, що гамети - це аж ніяк не мініатюрні варіанти майбутнього організму, а структури, що містять інформацію про розвиток ембріонів (хоча він визнавав тільки виключно на важливості яйцеклітини в збиток сперматозоїду). Однак розвиток цієї ідеї в сучасних дослідженнях стало можливим лише після 1953 року, коли Дж. Уотсон і Ф. Крик розробили тривимірну модель будови ДНК і тим самим створили наукові передумови для розкриття молекулярних основ спадкової інформації. З цього часу почалася ера сучасної молекулярної генетики.

Розвиток молекулярної генетики призвело до розкриття хімічної природи генетичної (спадкової) інформації і наповнило конкретним змістом уявлення про гені як единици генетичної інформації.

Генетична інформація - інформація про ознаки і властивості живих організмів, закладена в спадкових структурах ДНК, яка реалізується в онтогенезі через синтез білка. Спадкову інформацію, як програму розвитку організму, кожне нове покоління отримує від предків у вигляді сукупності генів геному. Одиницею спадкової інформації є ген, який представляє собою функціонально неподільний ділянку ДНК із специфічною послідовністю нуклеотидів, яка визначає послідовність амінокислот певного поліпептиду або нуклеотидів РНК.

Спадкова інформація про первинну структуру білка записана в ДНК за допомогою генетичного коду.

Генетичний код - система запису генетичної інформації в молекулі ДНК (РНК) у вигляді певної послідовності нуклеотидів. Цей код слугує ключем для перекладу послідовності нуклеотидів в і-РНК в послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга при її синтезі.

Властивості генетичного коду:

1.Триплетність - кожна амінокислота кодується послідовністю із трьох нуклеотидів (кодонів або кодоном)

2.Виродженість - більшість амінокислот шифрується більш ніж одним кодоном (від 2 до 6). У ДНК або РНК є 4 різних нуклеотиду, які теоретично можуть утворювати 64 різних триплетів (4 3 = 64) для кодування 20 амінокислот, що входять до складу білків. Цим і пояснюється вирожденність генетичного коду.

3.Неперекриваемость - один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох сусідніх триплетів.

4.Специфічність (однозначність) - кожен триплет кодує тільки одну амінокислоту.

5.Код не має знаків пунктуації. Зчитування інформації з і-РНК при синтезі білка завжди йде в напрямку 5, - 3, відповідно до послідовності кодонів іРНК. Якщо станеться випадання одного нуклеотиду, то при зчитування його місце займе найближчий нуклеотид з сусіднього коду, через що зміниться амінокислотний склад в молекулі білка.

6.Код універсальний для всіх живих організмів і вірусів: однакові триплети кодують однакові амінокислоти.

Універсальність генетичного коду свідчить про єдність походження всіх живих організмів

Однак, універсальність генетичного коду не є абсолютною. У мітохондріях ряд кодонів має інший зміст. Тому іноді говорять про квазіуніверсальності генетичного коду. Особливості генетичного коду мітохондрій свідчить про можливість його еволюціонування в процесі історичного розвитку живої природи.

Серед триплетів універсального генетичного коду три кодону не кодують амінокислоти і визначають момент закінчення синтезу даної поліпептидного молекули. Це так звані «nonsens» кодони (стоп-кодони або термінатори). До них відносяться: в ДНК - АТТ, АЦТ, АТЦ; в РНК - УАА, УГА, УАГ.

Відповідність нуклеотидів в молекулі ДНК порядку амінокислот в молекулі поліпептиду отримало назву коллінеарності. Експериментальне підтвердження коллінеарності зіграло вирішальну роль в розшифровці механізму реалізації спадкової інформації.

Значення кодонів генетичного коду наведені в таблиці 8.1.

Табл.8.1. Генетичний код (кодони мРНК для амінокислот)

За допомогою цієї таблиці по кодонам іРНК можна визначити амінокислоти. Перший і третій нуклеотиди беруть з вертикальних стовпчиків, розташованих праворуч і ліворуч, а другий - з горизонтального. У місці перессіченія умовних ліній міститься інформація про відповідну амінокислоту. Відзначимо, що в таблиці наводиться триплети і-РНК, а не ДНК.

Структурно - функціональна організація гена

Молекулярна біологія гена

Сучасне уявлення про будову і функції гена формувалося в руслі нового напрямку, який Дж.Уотсон назвав молекулярною біологією гена (1978)

Важливим етапом у вивченні структурно - функціональної організації гена були роботи С. Бензера в кінці 1950-хх років. Вони довели, що ген є нуклеотидную послідовність, яка може змінюватися в результаті рекомбінації і мутації. Одиницю рекомбінації С.Бензер назвав Рекон, а одиницю мутації - мутоном. Експериментально встановлено, що мутон і рекон відповідають одній парі нуклеотидів. Одиницю генетичної функції С. Бензер назвав цистрон.

В останні роки стало відомо, що ген має складне внутрішнє будова, а окремі його частини мають різні функціями. У гені можна виділити послідовність нуклеотидів гена, яка визначає будову поліпептиду. Ця послідовність називається цистрон.

Цистрон - це послідовність нуклеотидів ДНК, яка визначає окрему генетичну функцію поліпептидного ланцюга. Ген може бути представлений одним або кількома цистрона. Складні гени містять в собі кілька цистрон називаються поліцістронной.

Подальший розвиток теорії гена пов'язано з виявленням відмінностей в організації генетичного матеріалу у організмів далеких один від одного в таксономічних відношенні, якими є про- і еукаріоти.

Структура генів прокаріотів

У прокаріотів, типовими представниками яких є бактерії, більшість генів представлені безперервними інформативними ділянками ДНК, вся інформація яких використовується при синтезі поліпептиду. У бактерій гени займають 80-90% ДНК. Головна особливість генів прокаріотів - це їх об'єднання в групи або Оперон.

Оперон - це група наступних поспіль структурних генів, що знаходяться під контролем одного регуляторного ділянки ДНК. Все зчеплені гени оперона кодують ферменти одного метаболічного шляху (наприклад, розщеплення лактози). Така загальна молекула іРНК називається поліцістронной. Тільки деякі гени прокаріотів транскрибируются індивідуально. Їх РНК називається моноцістронной.

Організація за типом оперона дозволяє бактеріям швидко перемикати метаболізм з одного субстрату на інший. Бактерії не синтезують ферменти певного метаболічного шляху в відсутності необхідного субстрату, але здатні почати їх синтезувати при появі субстрату.

Структура генів еукаріот

Більшість генів еукаріот (на відміну від генів прокаріотів) мають характерну особливість: містять не тільки кодують структуру поліпептиду ділянки - екзонів, а й некодуючі - інтрони. Інтрони і Екзони чергуються між собою, що надає гену переривчасту (мозаїчну) структуру. Кількість интронов в генах варьіірует від 2-х до десятків. Роль интронов до кінця неясна. Вважають, що вони беруть участь в процесах рекомбінації генетичного матеріалу, а також в процесах регуляції експресії (реалізації генетичної інформації) гена.

Завдяки Екзонно - інтронів організації генів створюються передумови для альтернативного сплайсингу. Альтернативний сплайсінг- процес «вирізання» різних интронов з первинного РНК-транскрипту в результаті чого на основі одного гена можуть сінтезіроватся різні білки. Явище альтернативного сплайсингу має місце у ссавців при синтезі різних антитіл на основі іммуноглобулінових генів.

Подальші дослідження тонкої структури генетичного матеріалу ще більше ускладнило чіткість визначення поняття «ген». У геномі еукаріотів були виявлені великі регуляторні області мають різні ділянки, які можуть располагатся за межами одиниць трансскріпціі на відстані в десятки тисяч пар нуклеотидів. Структуру еукаріотичного гена, що включає транскрібіруемих і регуляторні області, можна подати такі чином.

     

Рис 8.1. Структура еукаріотичного гена

1 - енхансери; 2 - сайленсери; 3 - промотор; 4 - Екзони; 5 - інтрони; 6 - ділянки екзонів, що кодують нетрансльовані області.

Промотор - ділянка ДНК для зв'язування з РНК - полімеразою та утворення комплексу ДНК-РНК-полімерази для запуску синтезу РНК.

Енхансери - підсилювачі транскрипції.

Сайленсери - ослабители транскрипції.

В даний час ген (цистрон) розглядається як функціонально неподільна одиниця спадкового майстерності, яка визначає розвиток якого - небудь ознаки або властивості організму. З позиції молекулярної генетики ген являє собою ділянку ДНК (у деяких вірусів РНК), який несе інформацію про первинну структуру поліпептиду, молекули транспортної та рибосомальної РНК.

У диплоїдних клітинах людини приблизно 32000 пар генів. Більшість генів в кожній клітині «мовчить». Набір активних генів залежить від типу тканини, періоду розвитку організму, отриманих зовнішніх або внутрішніх сигналів. Можна сказати, що в кожній клітині «звучить» свій акорд генів, визначаючи спектр синтезованих РНК, білків і, відповідно, властивості клітини.

Структура генів вірусів

Віруси мають структуру гена, яка відображатиме генетичну структуру клітини - господаря. Так, гени бактеріофагів зібрані в Оперон і не мають інтронів, а віруси еукаріот мають інтрони.

Характерна особливість вірусних геномів - це явище «перекриваються» генів ( «ген в гені»). У «перекриваються» генах кожен нуклеотид належить одному кодону, але є різні рамки зчитування генетичної інформації з однієї і тієї ж нуклеотидноїпослідовності. Так, у фага ? Х 174 є ділянка молекули ДНК, який входить до складу відразу трьох генів. Але відповідні цим генам послідовності нуклеотидів прочитується кожна у своїй системі відліку. Тому не можна говорити про «перекривання» коду.

Така організація генетичного матеріалу ( «ген в гені») розширює інформаційні можливості порівняно невеликого за величиною генома вірусів. Функціонування генетичного матеріалу вірусів відбувається по-різному в залежності від структури вірусу, але завжди за допомогою ферментної системи клітини господаря. Різні способи організації генів у вірусів, про- і еукаріотів представлені на рис 8.2.

Функціонально - генетична класифікація генів

Існує кілька класифікацій генів. Так, наприклад, виділяють алельних і неалельні гени, летальні і напівлетальні, гени «домашнього господарства», «гени розкоші» і т.д.

Гени «домашнього господарства» - Набір активних генів, необхідних для функціонування всіх клітин організму незалежно від типу тканини, періоду розвитку організму. Ці гени кодують ферменти транскрипції, синтезу АТФ, реплікації, репарації ДНК і ін.

Гени «розкоші» мають виборчу активність. Їх функціонування специфічно і залежить від типу тканини, періоду розвитку організму, отриманих зовнішніх або внутрішніх сигналів.

Виходячи із сучасних уявлень про ген як функціонально неподільної одиниці спадкового матеріалу і системної організації генотипу все гени принципово можна розділити на дві групи: структурні і регуляторні.

регуляторні гени - Кодують синтез специфічних білків, що впливають на функціонування структурних генів таким чином, що в клітинах різної тканинної приналежності синтезуються необхідні білки і в необхідних кількостях.

структурними називаються гени, які несуть інформацію про первинну структуру білка, рРНК або тРНК. Гени, що кодують білки, несуть інформацію про послідовність амінокислот певних поліпептидів. З цих ділянок ДНК транскребіруется іРНК, яка служить матрицею для синтезу первинної структури білка.

гени рРНК (Виділяють 4 різновиди) містять інформацію про послідовності нуклеотидів рибосомальних РНК і обумовлюють їх синтез.

гени тРНК (Більше 30 різновидів) несуть інформацію про будову транспортних РНК.

структурні гени, Функціонування яких тісно пов'язане зі специфічними послідовностями в молекулі ДНК, званими регуляторними ділянками, підрозділяються на:

· Незалежні гени;

· Повторювані гени;

· Кластери генів.

незалежні гени - Це гени, транскрипція яких не пов'язана з транскрипцією інших генів в рамках транскрипционной одиниці. Їх активність може регулюватися екзогенними речовинами, наприклад, гормонами.

повторювані гени присутні в хромосомі у вигляді повторів одного гена. Ген рибосомной 5-S-РНК повторюється багато сотень разів, причому повтори розташовуються тандемом, т. Е. Слідуючи впритул один за одним без проміжків.

Кластери генів - це локалізовані в певних ділянках (локусах) хромосоми групи різних структурних генів з родинними функціями. Кластери теж часто присутні в хромосомі у вигляді повторів. Наприклад, кластер гістонових генів повторюється в геномі людини 10-20 разів, обазуя тандемну групу повторів. (Рис. 8.3.)

Ріс.8.3. Кластер гістонових генів

За рідкісним винятком кластери транскрибируются як одне ціле - у вигляді однієї довгої пре-мРНК. Так пре-мРНК кластера гістонових генів містить інформацію про всі п'ять гістонових білків. Це прискорює синтез гістонових білків, які беруть участь у формуванні нуклеосомної структури хроматину.

Існують також складні кластери генів, які можуть кодувати довгі поліпептиди з декількома ферментативними активностями. Наприклад, один з генів NeuraSpora grassa кодує поліпептид з молекулярною масою 150000 дальтон, який відповідає за 5 послідовних етапів в біосинтезі ароматичних амінокислот. Вважають, що поліфункціональні білки мають кілька доменів - конформационно обмежених напівавтономних утворень в поліпептидного ланцюга, що виконують специфічні функції. Відкриття полуфункціональних білків дало підставу вважати, що вони є одним з механізмів плейотропних дії одного гена на формування декількох ознак.

В кодує цих генів можуть вдаватися некодуючі, звані интронами. Крім того між генами можуть знаходиться ділянки спейсерной, і сателітні ДНК (рис.8.4).

Рис.8.4. Структурна організація нуклеотиднихпослідовностей (генів) в ДНК.

Спейсерная ДНК розташовується між генами і не завжди транскрибується. Іноді ділянку такої ДНК між генами (так званий спейсер) містить якусь інформацію, що відноситься до регуляції транскрипції, але він може являти собою і просто короткі повторювані послідовності надлишкової ДНК, роль якої залишається неясною.

сателітна ДНК містить велику кількість груп, що повторюються нуклеотидів, які не мають сенсу і не транскрибуються. Ця ДНК часто розташовується в області гетерохроматина центромер митотических хромосом. Поодинокі гени серед сателітних ДНК має регулюючі та підсилюють дію на структурні гени.

Великий теоритический і практичний інтерес для молекулярної біології та медичної генетики являє мікро- і мінісателітние ДНК.

мікросателітними ДНК - Короткі тандемні повтори з 2-6, (частіше з 2-4) нуклеотидів, які отримали назву STR. Найбільш поширеними є нуклеотидні ца повтори. Кількість повторів може істотно розрізнять у різних людей. Мікросателітов знаходяться переважно в деяких ділянках ДНК і насследуются за законами Менделя. Дитина отримують одну хромосому від матері, з певною кількістю повторів, іншу від батька - з іншою кількістю повторів. Якщо поруч з геном відповідальним за моногенне захворювання, або всередині гена розташований такий кластер мікросателітов, то маркером патологічного гена може бути певна кількість повторів по довжині кластера. Ця особливість використовується при непрямій діагностиці генних хвороб.

Мінісателітная ДНК - Тандемні повтори з 15-100 нуклеотидів. Вони отримали назву VNTR - варіабельні за кількістю тандемні повтори. Довжина цих локусів також существено вариабельна у різних людей і може бути маркером (міткою) патологічного гена.

Мікро- та макросателітние ДНК використовують:

1. Для діагностики генних хвороб;

2. У судово-медичній експертизі для ідентифікації особистостей;

3. Для встановлення батьківства і в інших ситуаціях.

Поряд зі структурними та регуляторними послідовностями, що повторюються, функції яких невідомі, виявлені мігруючі нуклеотидні послідовності (транспозони, мобільні гени), а також так звані псевдогени у еукаріот.

Псевдогени - функціонуючі послідовності ДНК, які подібні до функціонуючими генами.

Ймовірно, вони відбулися шляхом дуплікації, а неактіанимі копії стали в результаті мутацій, які порушили будь-які стадії експресії.

За однією з версій псевдогени є «еволюційним резервом»; по-іншого - є «тупики еволюції», побічний ефект перебудов колись функціонуючих генів.

Транспозони - структурно і генетично дискретні фрагменти ДНК, здатні переміщатися від однієї молекули ДНК до іншого. Вперше передбачені Б.Мак-Клінток (рис. 8) в кінці 40-х років XX століття на основі генетичних експериментів на кукурудзі. Вивчаючи природу забарвлення зерен кукурудзи вона зробила припущення, що існують так звані мобільні ( "стрибає") гени, які можуть переміщатися по геному клітини. Перебуваючи по сусідству з геном відповідальним за пігментацію зерен кукурудзи мобільні гени блокують його роботу. Надалі транспозони були виявлені у бактерій і було встановлено, що вони відповідальні за стійкість бактерій до різних токсичних сполук.

Мал. 8.5. Барбара Мак Клінток Вперше передбачила про існування мобільних ( «стрибаючих») генів, здатних переміщатися по геному клітин.

Мобільні генетичні елементи виконують такі функції:

1. кодують білки, відповідальні за їх переміщення та реплікацію.

2. викликають багато спадкові зміни в клітинах, внаслідок чого утворюється новий генетичний матеріал.

3. призводить до утворення ракових клітин.

4. вбудовуючись в різні ділянки хромосом, вони інактивують або посилюють експресію клітинних генів,

5. є важливим фактором біологічної еволюції.

Сучасний стан теорії гена

Сучасні теорії гена сформована завдяки переходу генетики на молекулярний рівень аналізу і відображає тонку структурно-функціональну організацію одиниць насследственності. Основні положення цієї теорії такі:

1) ген (цистрон) - функціональна неподільна одиниця спадкового матеріалу (ДНК у організмів і РНК у деяких вірусів), яка визначає прояв спадкової ознаки або властивості організму.

2) Більшість генів існує в вигляді двох або більшого числа альтернативних (взаємовиключних) варіантів алелів. Все аллели даного гена локалізуються в одній і тій же хромосомі в певному її ділянці, яку назвали локусом.

3) Всередині гена можуть відбуватися зміни у вигляді мутацій і рекомбінації; мінімальні розміри мутона і рекон рівні одній парі нуклеотидів.

4) Чи існують структурні та регуляторні гени.

5) Структурні гени несуть інформацію про послідовність амінокислот у певному поліпептиді і нуклеотидів в рРНК, тРНК

6) Регуляторні гени контролюють і спрямовують роботу структурних генів.

7) Ген так само особистої участі в синтезі білка, він є матрицею для синтезу різних видів РНК, які безпосередньо беруть участь в синтезі білка.

8) Існує відповідність (коліннеарность) між розташуванням триплетів з нуклеотидів у структурних генах і порядком амінокислот в молекулі поліпептиду.

9) Більшість мутацій гена не проявляються у фенотипі, так як молекули ДНК здатні до репарації (відновленню своєї нативной структури)

10) Генотип являє собою систему, яка складається з дискретних одиниць - геннов.

11) Фенотіческое прояв гена залежить від генотипической середовища, в якій знаходиться ген, вплив факторів зовнішнього і внутрішнього середовища.




Попередня   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   Наступна

Загальна характеристика ЖИТТЯ | РІЗНОМАНІТНІСТЬ ІСНУЮЧИХ ФОРМ ЖИТТЯ. Неклітинних форму ЯК ЗБУДНИКИ ІНФЕКЦІЙНИХ ХВОРОБ | СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ОРГАНІЗАЦІЯ клітині | ХІМІЧНА ОРГАНІЗАЦІЯ КЛІТИНИ |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати