Какие уровни организации наследственного материала у эукариот?

20 ответов на вопрос “Какие уровни организации наследственного материала у эукариот?”

  1. JINITU Ответить

    По химической организации материала наследственности и изменчивости эукариотические и прокариотические клетки принципиально не отличаются друг от друга. Генетический материал у них представлен ДНК. Общим для них является и принцип записи генетической информации, а также генетический код. Одни и те же аминокислоты шифруются у про- и эукариот одинаковыми кодонами. Принципиально одинаковым образом у названных типов клеток осуществляется и использование наследственной информации, хранящейся в ДНК. Однако некоторые особенности организации наследственного материала, отличающие эукариотические клетки от прокариотических, обусловливают различия в использовании их генетической информации.
    Наследственный материал прокариотической клетки содержится главным образом в единственной кольцевой молекуле ДНК.
    Наследственный материал эукариот больше по объему, чем у прокариот. Он расположен в основном в хромосомах, которые отделены от цитоплазмы ядерной оболочкой.
    Значительные отличия имеются в молекулярной организации генов эукариотической клетки. В большинстве из них кодирующие последовательности экзоны прерываются интронными участками, которые не используются при синтезе тРНК, рРНК или пептидов. Эти участки удаляются из первично-транскрибируемой РНК, в связи с чем использование генетической информации в эукариотической клетке происходит несколько иначе. В прокариотической клетке, где наследственный материал и аппарат биосинтеза белка пространственно не разобщены, транскрипция и трансляция происходят почти одновременно. В эукариотической клетке эти два этапа не только пространственно отделены ядерной оболочкой, но и во времени их разделяют процессы созревания мРНК, из которой должны быть удалены неинформативные последовательности.

  2. ПЕРТО Ответить

    Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами. У кишечной палочки (Е. coli) он представлен кольцевой молекулой ДНК длиной около 1 мм, которая содержит 4 • 106 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. Основная масса ДНК прокариот (около 95%) активно транскрибируется в каждый данный момент времени. Как было сказано выше, геном прокариотической клетки организован в виде нуклеоида — комплекса ДНК с негистоновыми белками (см. разд. 3.5.2.4).
    У эукариот объем наследственного материала значительно больше. У дрожжей он составляет 2,3 • 107 п.н., у человека общая длина ДНК в диплоидном хромосомном наборе клеток — около 174 см. Его геном содержит 3 • 109 п.н. и включает, по последним данным, 30—40 тыс. генов.
    У некоторых амфибий и растений геном характеризуется еще большими размерами, достигающими Ю10 и 1011 п.н. В отличие от прокариот в эукариотических клетках одновременно активно транскрибируется от 1 до 10% ДНК. Состав транскрибируемых последовательностей и их количество зависят от типа клетки и стадии онтогенеза. Значительная часть нуклеотидных последовательностей у эукариот не транскрибируется вообще — молчащая ДНК.
    Большой объем наследственного материала эукариот объясняется существованием в нем помимо уникальных также умеренно и высоко повторяющихся последовательностей. Так, около 10% генома мыши составляют тандемно расположенные (друг за другом) короткие нуклеотидные последовательности, повторенные до 106 раз. Эти высоко повторяющиеся последовательности ДНК располагаются в основном в гетерохроматине, окружающем центромерные участки. Они не транскрибируются. Около 20% генома мыши образовано умеренными повторами, встречающимися с частотой 103—105 раз. Такие повторы распределены по всему геному и транскрибируются в РНК. К ним относятся гены, контролирующие синтез гистонов, тРНК, рРНК и некоторые другие. Остальные 70% генома мыши представлены уникальными нуклеотидными последовательностями. У растений и амфибий на долю умеренно и высоко повторяющихся последовательностей приходится до 60% генома.
    Избыточность генома эукариот объясняется также экзон-интрон- ной организацией большинства эукариотических генов, при которой значительная часть транскрибированной РНК удаляется в ходе следующего за синтезом процессинга и не используется для кодирования аминокислотных последовательностей белков (см. разд. 3.4.3.2).
    В настоящее время окончательно не выяснены функции молчащей ДНК, которая составляет значительную часть генома, реплицируется, но не транскрибируется. Высказывают предположения об определенном значении такой ДНК в обеспечении структурной организации хроматина (см. разд. 3.5.2.2). Некоторая часть нетран- скрибируемых нуклеотидных последовательностей, очевидно, участвует в регуляции экспрессии генов (см. разд. 3.6.6).
    Характеризуя наследственный материал прокариотической клетки в целом, необходимо отметить, что он заключен не только в нуклеоиде, но также присутствует в цитоплазме в виде небольших кольцевых фрагментов ДНК — плазмид.
    Плазмиды — это широко распространенные в живых клетках внехромосомные генетические элементы, способные существовать и размножаться в клетке автономно от геномной ДНК. Описаны плазмиды, которые реплицируются не автономно, а только в составе геномной ДНК, в которую они включаются в определенных участках. В этом случае их называют эписомами.
    В прокариотических (бактериальных) клетках обнаружены плазмиды, которые несут наследственный материал, определяющий такие свойства, как способность бактерий к конъюгации, а также их устойчивость к некоторым лекарственным веществам.
    В эукариотических клетках внехромосомная ДНК представлена генетическим аппаратом органелл — митохондрий и пластид, а также нуклеотидными последовательностями, не являющимися жизненно необходимыми для клетки (вирусоподобными частицами). Наследственный материал органелл находится в их матриксе в виде нескольких копий кольцевых молекул ДНК, не связанных с гистонами. В митохондриях, например, содержится от 2 до 10 копий мтДНК.
    Внехромосомная ДНК составляет лишь небольшую часть наследственного материала эукариотической клетки. Например, мтДНК человека содержит 16 569 п.н. и на ее долю приходится менее 1% всей клеточной ДНК.
    В отличие от хромосомной ДНК, мтДНК характеризуется высокой «плотностью генов». В них нет интронов, а межгенные промежутки невелики. В кольцевой мтДНК человека содержится 13 генов, кодирующих белки (3 субъединицы цитохром С-оксидазы, 6 компонентов АТФазы и др.) и 22 гена тРНК. Значительная часть белков митохондрий и пластид синтезируется в цитоплазме под контролем геномной ДНК.
    Если большинство ядерных генов представлены в клетках организма в двойной дозе (аллельные гены), то митохондриальные гены представлены многими тысячами копий на клетку.
    Для генома митохондрий характерны межиндивидуальные различия, но в клетках одного индивида, как правило, мтДНК идентична.
    Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК, называют плазмоном. Он определяет особый тип наследования признаков — цитоплазматическое наследование (см. разд. 6.3.2).

  3. Delamand Ответить

    Жизнь, как высшая форма движения материи, тесно связана с физическими и химическими особенностями организмов. В основе явлений жизни лежат процессы,
    происходящие в клетке. С развитием электронной микроскопии было установлено строение клетки, состоящей из цитоплазмы в которой имеются структуры, обеспечивающие
    всю сложность процессов, происходящих в ней. К этим структурам относят органоиды клетки (аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть, митохондрии, лизосомы, рибосомы
    и пр.) и ядро, которое является хранилищем наследственной информации.
    Структуры, содержащие наследственную информацию в ядре до начала его деления не видны. С началом деления ядра эти структуры начинают отчетливо вырисовываться.
    Они имеют различную форму: вид коротких и более длинных стерженьков, которые принимают форму буквы V, другие J-образны. Хотя эти элементы можно наблюдать на живых
    клетках, их чаще изучают на препаратах, причем клетки умерщвляют таким образом, чтобы их структура сохранилась как можно лучше, а затем окрашивают особыми красками.
    Эти краски сорбируются структурными элементами ядра сильнее, чем остальной частью клетки, а некоторые краски поглощаются исключительно лишь ими. Поэтому эти
    элементы ядра и получили названия хромосом (от греч. chromos – цвет, soma – тело).
    Каждая хромосома состоит из центральной нити, именуемой хромонемой, вдоль которой расположены четкообразные структуры — хромомеры. У каждой хромосомы в
    определенном месте находится так называемая центромера — небольшой ясно выраженный округлый участок, регулирующий движение хромосом прй клеточном делении.
    Такую структуру хромосом можно наблюдать только во время деления клетки, в другое же время они имеют вид тонких, темноокрашивающихся нитей, называемых хроматином.
    В каждой хромосоме содержатся многочисленные наследственные факторы – гены, каждый из которых так или иначе отличается от всех остальных; каждый ген
    контролирует наследование одного или нескольких признаков. Гены в хромосоме расположены в линейной последовательности и в определенном порядке. Гены определенных
    признаков лежат в определенных местах хромосом, именуемых локусами. Полный набор генов, необходимый для развития всех наследственных свойств, содержится только
    в полном комплекте хромосом.
    В настоящее время известно, что гены состоят из химического вещества –
    нуклеиновой кислоты. Существует несколько типов нуклеиновых кислот.
    Наследственная информация кодируется дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), что делает ее ведущим функциональным компонентом хромосом. Кроме ДНК хромосомы содержат
    гистоновые и негистоновые белки, рибонуклеиновую кислоту (РНК), липиды, полисахариды, ионы металлов.
    Открытие закономерностей, подтверждающих роль генов как элементарных наследственных единиц, локализованных в хромосомах, привело к созданию
    хромосомной теории наследственности.
    Хромосомная теория наследственности была разработана Т. Морганом с сотрудниками в начале 20 века и нашла подтверждение при изучении генетических механизмов
    определения пола у животных. Генетические закономерности, описываемые хромосомной теорией наследственности, соответствовали правилам сцепленного
    наследования признаков и вытекали из факта внутриядерной, хромосомной локализации генов.
    Таким образом, организацию наследственного материала стало возможным распределить на соответствующие уровни.

    Уровни организации наследственного материала

    генный уровень организации наследственного материала
    Элементарной структурой генного уровня служит ген. Передача генов от родителей потомку необходима для развития у него определенных признаков. Хотя известно
    несколько форм биологической изменчивости, только нарушение структуры генов изменяет смысл наследственной информации, в соответствии с которой формируются
    конкретные признаки и свойства. Благодаря наличию генного уровня возможно индивидуальное, раздельное (дискретное) и независимое наследование и изменения отдельных
    признаков.
    хромосомный уровень организации наследственного материала
    Гены клеток эукариот распределены группами по хромосомам. Это структуры клеточного ядра, которым свойственна индивидуальность и способность к самовоспроизведению
    с сохранением в ряду поколений индивидуальных черт строения. Наличие хромосом обусловливает выделение хромосомного уровня организации наследственного материала.
    Размещение генов в хромосомах влияет на соотносительное наследование признаков, делает возможным воздействия на функцию гена со стороны его ближайшего генетического
    окружения — соседних генов (о сцепленном наследовании и эффекте положения см. 5.2.4. и 5.2.5.). Хромосомная организация наследственного материала служит
    необходимым условием перераспределения наследственных задатков родителей в потомках при половом размножении.
    геномный уровень организации наследственного материала (уровень генотипа)
    Несмотря на распределение по разным хромосомам, вся совокупность генов в функциональном отношении ведет себя как целое, образуя единую систему, представляющую
    геномный (генотипический) уровень организации наследственного материала. На этом уровне происходит широкое взаимодействие и взаимовлияние наследственных задатков,
    локализующихся как в одной, так и в разных хромосомах. Итогом является взаимосоответствие генетической информации разных наследственных задатков и, следовательно,
    сбалансированное по времени, месту и интенсивности развитие признаков в процессе онтогенеза. Функциональная активность генов, режим репликации и мутационных
    изменений наследственного материала также зависят от характеристик генотипа организма или клетки в целом. Об этом свидетельствует, например, относительность
    свойства доминантности.
    внеядерный уровень организации наследственного материала
    Благодаря работам А. Вейсмана и Т. Моргана теорию наследственности эукариотических организмов называют хромосомной. Этим подчеркивается факт
    размещения наследственного материала в хромосомах клеточного ядра. По мере развития генетики накапливались данные, необъяснимые с точки зрения исключительно
    ядерной локализации генов и свидетельствовавшие о возможности прямого участия в явлениях наследственности цитоплазмы. Цитоплазматическая наследственность
    обеспечивается некоторыми структурными элементами цитоплазмы, которые могут хранить и передавать по наследству определенную долю генетической информации, не
    связанной с ядром. Такой способ передачи генетической информации называли цитоплазматической, или нехромосомной, наследственностью. Ей соответствует особый тип
    одностороннего наследования по материнской линии, при котором признак передается через цитоплазму яйцеклетки.
    Совокупность наследственных задатков цитоплазмы называется плазмоном, а сами задатки — плазмагенами. По материнскому типу наследуется устойчивость к стрептомицину
    у хламидомонад, направление завитка раковины улиток, пятнистость листьев и мужская стерильность некоторых растений. Уникальной остается родословная, согласно которой
    в семьях трех поколений родилось 72 девочки и ни одного мальчика. Это может быть объяснено цитоплазматической наследственностью, хотя допустимы и другие объяснения.
    Плазмагены разнородны по своей природе. Их можно разделить на две группы:
    гены ДНК-содержащих органелл клетки (митохондрии, хлоропласты);
    инфекционные агенты или симбионты клетки (вирусы, плазмиды, эписомы).
    Плазмагены обоих групп сходны по своим свойствам с ядерными генами и осуществляют генетический контроль синтеза ряда важных ферментов, а, следовательно, и
    развития некоторых сложных признаков. Они способны к редупликации и случайным, устойчивым, передающимся в ряду поколений изменениям — точковым мутациям.
    Митохондриальные гены – плазмагены митохондрий. Одна такая органелла содержит 4—5 кольцевых молекул ДНК, каждая длиной примерно в 15 000 пар нуклеотидов.
    За счет собственной генетической информации в митохондриях образуются тРНК, рибонуклеиновые кислоты и белки рибосом, некоторые ферменты аэробного энергетического
    обмена и структурные белки. ДНК митохондрий редуплицируется, вслед за чем происходит деление исходной органеллы на две дочерние. С генами, локализованными в
    митохондриях, связано наследование ряда нарушений в действии дыхательных ферритов у дрожжей, устойчивости и чувствительности дрожжевых клеток к действию антибиотиков,
    признака замедленности роста мицелия у гриба нейроспоры и др. Для митохондриальных генов дрожжей установлен эффект сцепления и показана возможность рекомбинации.
    Предположительно мутациями митохондриальных генов объясняются такие пороки развития человека, как Spina bifida (раздвоенный позвоночный столб), сращение нижних
    конечностей.
    Генетический контроль структуры и функции митохондрий плазмагены обеспечивают во взаимодействии с генами хромосом ядра. Простой расчет показывает, что объем
    собственной наследственной информации митохондрии недостаточен для воспроизведения всей совокупности рибонуклеиновых кислот и белков органеллы. Многие белки,
    особенно ферментативные, включаются в структуру митохондрии, будучи синтезированы в цитоплазме на иРНК, поступившей из ядра. Описано явление генокопирования по
    ядерным и цитоплазматическим генам. Так, к мужской стерильности растений приводят в одних случаях мутации ядерных генов, а в других — плазмагенов.

    Пластидная наследственность

  4. Gamuro Ответить

    Различают следующие уровни структурно-функциональной организации наследственного материала: генный, хромосомный, геномный.
    Элементарной структурой ГЕННОГО уровня организации служит ген. На этом уровне изучается структура молекулы ДНК, биосинтез белка и др. благодаря относительной независимости генов возможно дискретное (раздельное) и независимое наследование (3 закон Менделя) и изменение (мутации) отдельных признаков. Передача генов от родителей потомку необходима для развития у него определенных признаков. Хотя известно несколько форм биологической изменчивости, только нарушение структуры генов изменяет смысл наследственной информации, в соответствии с которой формируются конкретные признаки и свойства. Благодаря наличию генного уровня возможно индивидуальное, раздельное (дискретное) и независимое наследование и изменения отдельных признаков.
    Гены клеток эукариот распределены по хромосомам, образуя ХРОМОСОМНЫЙ уровень организации наследственного материала. Этот уровень организации служит необходимым условием сцепления генов и перераспределения генов родителей у потомков при половом размножении (кроссинговер). Размещение генов в хромосо­мах влияет на соотносительное наследование признаков, делает возможным воздействия на функцию гена со стороны его ближайшего генетического окружения — соседних генов. Хромосомная организация наследственного материала служит необходимым условием перераспре­деления наследственных задатков родителей в потомках при половом размножении.
    Вся совокупность генов организма в функциональном отношении ведет себя как целое и образуя единую систему, называемую ГЕНОМОМ. Один и тот же ген в разных генотипах может проявлять себя по-разному. Геномный уровень организации объясняет взаимодействие генов как в одной, так и в разных хромосомах. На этом уровне происходит широкое взаимодействие и взаимовлияние наследственных задатков, локализующихся как в одной, так и в разных хромосомах. Итогом является взаимосоответствие генетической информации разных наследственных задатков и, следова­тельно, сбалансированное по времени, месту и интенсивности развитие признаков в процессе онтогенеза. Функциональная активность генов, режим репликации и мутационных изменений наследственного матери­ала также зависят от характеристик генотипа организма или клетки в целом. Об этом свидетельствует, например, относительность свойства доминантности.

  5. Umwyn Ответить


    Рис. 3.35. Обобщенная схема процесса экспрессии генетической информации
    в эукариотической клетке
    Кроме указанных различий на каждом этапе экспрессии генетической информации можно отметить некоторые особенности течения этих процессов у про- и эукариот.
    Транскрипция у про- и эукариот. Транскрипция — это синтез РНК на матрице ДНК. У прокариот синтез всех трех видов РНК катализируется одним сложным белковым комплексом — РНК-полимеразой.
    Транскрипционный аппарат эукариотических клеток включает три ядерные РНК-полимеразы, а также РНК-полимеразы митохондрий и пластид. РНК-полимераза I обнаруживается в ядрышках клеток и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза II локализуется в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза III —небольшая фракция, находящаяся в ядерном соке и осуществляющая синтез малых рРНК и тРНК. Каждый из этих ферментов имеет две большие субъединицы и до 10 малых. РНК-полимеразы митохондрий и пластид отличаются от ядерных.
    Ферментный комплекс РНК-полимеразы специфически узнает некую нуклеотидную последовательность (часто не одну), расположенную на определенном расстоянии от стартовой точки транскрипции, — промотор. Стартовой точкой считают нуклеотид ДНК, которому соответствует первый нуклеотид, включаемый ферментом в РНК-транскрипт.
    У прокариот обычно недалеко от стартовой точки против хода транскрипции располагается последовательность из шести нуклеотидов — ТАТААТ, называемая блоком Прибнова. Это среднестатистическая последовательность, состоящая из наиболее часто встречаемых оснований, самыми консервативными из которых являются 1,2 и 6-е основания. Наличие в этой последовательности оснований, преимущественно соединенных двойными водородными связями с комплементарными основаниями другой цепи, очевидно, облегчает локальное плавление двойной спирали ДНК и образование двух ее одноцепочечных участков при контакте с РНК-полимеразой. Блок Прибнова располагается в положении от —11 до —5 или от —14 до —8, т.е. за несколько нуклеотидов перед стартовой точкой транскрипции (рис. 3.36). Обнаруживая эту последовательность, РНК-полимераза прочно связывается с ней и начинает синтез РНК.
    Столь же важная роль в установлении контакта РНК-полимеразы с ДНК принадлежит другой нуклеотидной последовательности, центр которой находится в положении —35. Ее называют областью узнавания —ТТГАЦА. Между двумя указанными участками расстояние достаточно постоянно и составляет от 16 до 19 пар нуклеотидов (п.н.).
    Промоторы эукариотических генов также включают по меньшей мере две специфические нуклеотидные последовательности, центры которых находятся в положении —25 и —75 п.н. На расстоянии 19—27 нуклеотидов от стартовой точки против хода транскрипции у многих генов эукариот обнаружена среднестатистическая последовательность ТАТАТААТ (ТАТА-блок, или блок Хогнесса), в которой, так же как в блоке Прибнова у прокариот, преобладают основания, образующие более слабые связи.
    Вторую последовательность, встречаемую во многих промоторах эукариот и состоящую из ГГЦТЦААТЦТ, обозначают как ЦААТ-блок. Она занимает положение между —70 и —80 нуклеотидами и также является областью, узнаваемой полимеразой.
    В некоторых генах обнаружены многокомпонентные промоторы. Так, в отдельных генах вируса герпеса для эффективной инициации транскрипции необходимы три последовательности ДНК, расположенные между —19 и —27, между —47 и —61, а также между —80 и —105 нуклеотидами.

    Рис. 3.36. Точки контакта для РНК-полимеразы,
    находящиеся в верхней цепи ДНК (промотор)
    Особенности промоторных участков свидетельствуют о том, что для инициации транскрипции имеет значение не только сочетание оснований в определенных областях промотора, но и взаимное расположение в молекуле ДНК этих областей, с которыми связывается ферментный комплекс РНК-полимеразы.
    После установления контакта между РНК-полимеразой и промоторным участком начинается сборка молекулы РНК, в которую первым чаще всего включается нуклеотид, несущий пуриновое основание (как правило, аденин) и содержащий три 5′-фосфатных остатка. Далее, по мере продвижения РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК происходит постепенное удлинение цепи РНК, которое продолжается до встречи фермента с областью терминатора (см. разд. 3.4.3.1). Терминатор — это участок, где прекращается дальнейший рост цепи РНК и происходит ее освобождение от матрицы ДНК. РНК-полимераза также отделяется от ДНК, которая восстанавливает свою двухцепочечную структуру.

    Рис. 3.37. Область ДНК с двойной симметрией —палиндром:
    I — палиндром, в котором имеется последовательность, одинаковая при чтении в противоположных направлениях;
    II — палиндром, в котором заштрихованный инвертированный повтор находится на расстоянии от оси симметрии
    В прокариотических клетках терминаторы обязательно содержат палиндромы — двухцепочечные последовательности нуклеотидов ДНК, которые одинаково читаются в обоих направлениях (рис. 3.37). Участок РНК, транскрибированный с такой последовательности, способен образовывать двухцепочечные шпильки за счет комплементарного спаривания нуклеотидов палиндрома. Возможно, это и является сигналом для завершения транскрипции, узнаваемым РНК-полимеразой (рис. 3.38). Возникающие шпильки, видимо, останавливают полимеразу на терминаторе. Следом за шпилькой в молекулу РНК включается последовательность из нуклеотидов, содержащих урацил (полиУ), которая, вероятно, принимает участие в высвобождении РНК от матрицы ДНК. Действительно, полиУ-последовательность РНК, соединенная с полиадениловой (полиА) последовательностью ДНК, характеризуется слабым взаимодействием. Обращает на себя внимание тот факт, что участок ДНК, богатый парами А-Т, встречается не только в месте инициации транскрипции (блок Прибнова), но и в терминаторной области.
    Бактериальные терминаторы значительно различаются по своей эффективности. Некоторые из них как бы не замечаются РНК-полимеразой, и она продолжает транскрипцию за пределами терминатора. Такое прочитывание терминатора при транскрипции бактериальных генов наблюдается в результате предотвращения терминации специфическими белками — факторами антитерминацш. Следствием антитерминации является синтез полицистронной мРНК, включающей в себя информацию, списанную с нескольких последовательно расположенных структурных генов.
    Терминаторы эукарйогических генов изучены в меньшей степени, чем у проскариот, но в них также обнаружены районы, богатые Г-Ц парами, соединенными тройными водородными связями, в которых располагается, участок с А-Т парами. На этом участке в транскрипт включается полиУ-последовательность, слабо взаимодействующая с матричной полиА-областыо ДНК.
    Возможно, область терминатора, богатая Г-Ц парами, играет определенную роль в остановке РНК-полимеразы, а участок РНК, содержащий УУУУ обеспечивает отделение транскрипта от матрицы ДНК.
    У эукариот не обнаружено образования структур, подобных шпилькам в прокариотических РНК. Поэтому, каким образом у них осуществляется терминация транскрипции, остается неясным.
    В составе всех мРНК можно выделить кодирующие участки, представляющие набор кодонов, которые шифруют последовательность аминокислот в пептиде. Как правило, эти участки начинаются стартовым кодоном АУГ, но иногда у бактерий используется кодон ГУТ. На конце кодирующей последовательности располагается терминирующий кодон. Помимо кодирующих участков в мРНК на обоих концах могут располагаться дополнительные последовательности. На 5′-конце это лидерный участок, расположенный перед стартовым кодоном. На 3′-конце — трейлер, следующий за кодоном-терминатором.

    Рис. 3.38. Образование шпильки участком РНК
    при терминации транскрипции у прокариот
    Область РНК, несущая палиндром, образует комплементарно спаривающуюся структуру — шпильку (инвертированные повторы заштрихованы)
    В полицистронной мРНК прокариот между кодирующими участками имеются межцистронные области, варьирующие по размерам (рис. 3.39).

    Рис. 3.39. Полицистронная матричная РНК прокариот:
    1 — некодирующие области, 2 — межцистронные области, 3 — кодирующие области, 4 — терминирующие кодоны
    В связи с тем что прокариотические гены целиком состоят из нуклеотидных последовательностей, участвующих в кодировании информации, транскрибированные с них РНК сразу после их синтеза способны выполнять функцию матриц для трансляции. Лишь в исключительных случаях требуется их предварительное созревание — процессинг.
    В отличие от прокариотических генов большинство генов эукариотических клеток прерывисты, так как несут в своем составе неинформативные нуклеотидные последовательности — интроны, не участвующие в кодировании информации. В связи с этим первичные транскрипты, синтезированные РНК-полимеразой II, обладают большими, чем необходимо для трансляции, размерами и оказываются менее стабильными. В совокупности они образуют так называемую гетерогенную ядерную РНК(тяРНК), которая прежде чем выйти из ядра и начать активно функционировать в цитоплазме, подвергается процессингу и превращается в зрелые мРНК.
    Процессинг эукариотических мРНК. Созревание, или процессинг, мРНК предполагает модифицирование первичного транскрипта и удаление из него некодирующих интронных участков с последующим соединением (сплайсингом) кодирующих последовательностей — экзонов. Модифицирование первичного транскрипта эукариотической мРНК начинается вскоре после синтеза его 5′-конца, содержащего одно из пуриновых оснований (аденин или гуанин). На этом конце образуется колпачок — кэп, который блокирует 5′-конец мРНК путем присоединения к первому нуклеотиду транскрипта трифосфонуклео-зида, содержащего гуанин, связью 5’—5′
    Гффф + фффАфN… > ГфффАфN..+ фф +ф
    В результате образуется последовательность ГфффАфЧМ…, в которой остаток туанина находится в обратной ориентации по отношению к другим нуклеотидам мРНК. Модификация 5′-конца мРНК предполагает также метилирование присоединенного гуанина и первых двух-трех оснований первичного транскрипта (рис. 3.40). Образуемые на 5′ -концах мРНК кэпы обеспечивают узнавание молекул мРНК малыми субчастицами рибосом в цитоплазме. Кэширование осуществляется еще до окончания синтеза первичного транскрипта.

    Рис. 3.40. Образование зрелой мРНК эукариот в ходе процессинга:
    1 — некодирующие последовательности, 2 — экзоны, 3 — интроны, 4 — кодон-терминатор
    После завершения транскрипции происходит удаление части нуклеотидов на 3′-конце первичного транскрипта и присоединение к нему последовательности, состоящей из 100—200 остатков адениловой кислоты (полиА) (рис. 3.40). Считают, что эта последовательность способствует дальнейшему процессингу и транспорту зрелой мРНК из ядра. После выхода мРНК в цитоплазму ее полиА-последовательность постепенно укорачивается под действием ферментов, отщепляющих нуклеотиды на 3′-конце. Таким образом, по длине полиА-последовательности можно косвенно судить о времени пребывания мРНК в цитоплазме. Возможно, добавление полиА-последовательности в ходе процессинга повышает стабильность мРНК. Однако около трети мРНК вообще не содержат полиА-участка. К ним относятся, например, гистоновые мРНК.
    Образование кэпа на 5′-конце и полиА-последовательности на 3′-конце характерно только для процессинга РНК, синтезируемых РНК-полимеразой II. Кроме метилирования при формировании кэпов в мРНК высших эукариот происходит метилирование небольшой части внутренних нуклеотидов с частотой приблизительно одно на тысячу оснований мРНК.
    Наряду с модифицированием мРНК эукариот процессинг предполагает удаление из первичных транскриптов неинформативных для данного белка интронных участков, размер которых варьирует от 100 до 10 000 нуклеотидов и более. На долю интронов приходится около 80% всей гяРНК. Удаление интронов с последующим соединением экзонных участков называют сплайсингом (рис. 3.40).
    Сплайсинг представляет собой механизм, который должен обеспечивать удаление из первичного транскрипта строго определенных интронных участков. Нарушение этого процесса может привести к сдвигу рамки считывания при трансляции и невозможности синтеза нормального пептида. Закономерность вырезания интронов, очевидно, обеспечивается благодаря наличию на их концах специфических нуклеотидных последовательностей, служащих сигналами для сплайсинга.
    В настоящее время описано несколько вероятных механизмов сплайсинга, обеспечивающих точность этого процесса. Возможно, она достигается действием каких-то ферментов, специфически узнающих концевые участки интронов и катализирующих разрыв фосфодиэфирных связей на границе экзон — интрон, а затем образование связей между двумя экзонами.
    Установлено активное участие в сплайсинге особых малых, ядерных РНК (мяРНК), образующих комплексы с белками (мяРНП). Очевидно, мяРНК своими нуклеотидными последовательностями комплементарно взаимодействуют с концевыми участками интронов, которые образуют при этом замкнутые петли. Расщепление РНК в устье интронной петли приводит к удалению неинформативной последовательности и соединению (сплайсингу) сближенных концов экзонов.
    Обсуждается также автокаталитическая способность РНК-транскрипта к сплайсингу. Описанные способы сплайсинга свидетельствуют об отсутствии универсального механизма этого процесса, однако во всех случаях достигается точное удаление интронов с образованием определенной мРНК, обеспечивающей синтез необходимого клетке белка.
    В настоящее время доказана возможность альтернативного (взаимоисключающего) сплайсинга, при котором из одного и того же первичного транскрипта могут удаляться разные нуклеотидные последовательности и образовываться разные зрелые мРНК. В результате одна и та же последовательность нуклеотидов ДНК может служить информацией для синтеза разных пептидов. Альтернативный сплайсинг, вероятно, очень характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, где он позволяет формировать на основе одного транскрипта мРНК для синтеза разных видов антител.
    Благодаря преобразованиям, происходящим с РНК-транскриптом в ходе процессинга, зрелые мРНК эукариот характеризуются большей стабильностью по сравнению с прокариотическими мРНК.
    По завершении процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму, куда попадает всего 5% гяРНК. Остальная часть расщепляется, не покидая ядра.
    Таким образом, преобразования первичных транскриптов эукариотических генов, обусловленные их экзон-итронной организацией и необходимостью перехода мРНК из ядра в цитоплазму, определяют особенности реализации генетической информации в эукариотической клетке.
    Трансляция у про- и эукариот. В прокариотических клетках процесс трансляции сопряжен с синтезом мРНК: они происходят практически одновременно. В значительной степени это связано с недолговечностью бактериальной мРНК, которая достаточно быстро подвергается распаду. Взаимосвязанность транскрипции и трансляции у бактерии проявляется в согласованности скоростей этих процессов. При 37°С транскрипция идет со скоростью 2500 нуклеотидов/мин (14 кодонов/с), а трансляция осуществляется со скоростью 15 аминокислот/с.
    Трансляция у прокариот начинается вскоре после образования 5′-конца мРНК, раньше, чем заканчивается ее синтез. В результате вслед за РНК-полимеразой по мРНК движутся рибосомы, осуществляющие сборку пептидных цепей (рис. 3.41). Через некоторое время после начала транскрипции (около 1 мин) и до завершения трансляции 3′-конца матрицы начинается деградация ее 5′-конца. Ввиду того что время жизни разных мРНК не одинаково, количество белка, синтезированного на разных матрицах, различно.
    Одной из особенностей трансляции у прокариот является включение в пептидную цепь в качестве первой аминокислоты модифицированного метионина — формилметионина, с которого начинаются все вновь синтезированные пептиды. Даже в том случае, когда роль стартового кодона выполняет кодом ГУГ, в обычных условиях шифрующий валин, в первом положении пептида оказывается формилметионин. Стартовый кодон АУГ или ГУГ следует за лидерным участком, который экранируется рибосомой в момент инициации трансляции.
    Соединение рибосомы с мРНК обусловлено комплементарным взаимодействием нуклеотидов одной из рРНК с нуклеотидной последовательностью лидера мРНК.
    Эта последовательность (Шайна—Дальгарно) располагается на расстоянии 4—7 оснований перед кодоном АУГ и обнаруживается повсеместно в лидерных участках у прокариот.
    При соединении 5′-конца мРНК с малой субчастицей рибосомы стартовый кодон обычно оказывается почти в середине экранированного рибосомой фрагмента мРНК, в области, соответствующей ее П-участку.
    У эукариот трансляция осуществляется в цитоплазме, куда попадает из ядра зрелая мРНК. Копированный конец мРНК распознается малой субчастицей рибосомы, затем лидирующая последовательность, содержащая до 100 нуклеотидов, взаимодействует с рРНК. При этом стартовый кодон АУГ оказывается в недостроенном П-участке рибосомы. После присоединения к стартовому кодону аминоацил-тРНК, несущей метионин, происходит воссоединение двух субчастиц рибосомы и формируются ее А- и П-участки. Синтез белка в эукариотической клетке, осуществляемый на моноцистронной мРНК, завершается после прохождения рибосомой по всей мРНК, вплоть до узнавания ею кодона-терминатора, прекращающего образование пептидных связей.
    Посттрансляционные преобразования белков. Синтезированные в ходе трансляции пептидные цепи на основе своей первичной структуры приобретают вторичную и третичную, а многие—и четвертичную организацию, образуемую несколькими пептидными цепями. В зависимости от функций, выполняемых белками, их аминокислотные последовательности могут претерпевать различные преобразования, формируя функционально активные молекулы белка.
    Многие мембранные белки синтезируются в виде пре-белков, имеющих на N-конце лидерную последовательность, которая обеспечивает him узнавание мембраны. Эта последовательность отщепляется при созревании и встраивании белка в мембрану. Секреторные белки также имеют на N-конце лидерную последовательность, которая обеспечивает их транспорт через мембрану.
    Некоторые белки сразу после трансляции несут дополнительные аминокислотные про-последовательности, определяющие стабильность предшественников активных белков. При созревании белка они удаляются, обеспечивая переход неактивного пробелка в активный белок. Например, инсулин вначале синтезируется как пре-проинсулин. Во время секреции пре-последовательность отщепляется, а затем проинсулин подвергается модификации, при которой из него удаляется часть цепи и он превращается в зрелый инсулин.

    Рис. 3.41. Транскрипция, трансляция и деградация мРНК у прокариот:
    I — РНК-полимераза связывается с ДНК и начинает синтезировать мРНК в направлении 5′ > 3′;
    II — по мере продвижения РНК-полимеразы к 5′-концу мРНК прикрепляются рибосомы, начинающие синтез белка;
    III — группа рибосом следует за РНК-полимеразой, на 5′-конце мРНК начинается ее деградация;
    IV —процесс деградации протекает медленнее, чем транскрипция и трансляция;
    V — после окончания транскрипции мРНК освобождается от ДНК, на ней продолжается трансляция и деградация на 5′-конце
    Формируя третичную и четвертичную организацию в ходе посттрансляционных преобразований, белки приобретают способность активно функционировать, включаясь в определенные клеточные структуры и осуществляя ферментативные и другие функции.
    Рассмотренные особенности реализации генетической информации в про- и эукариотических клетках обнаруживают принципиальное сходство этих процессов. Следовательно, механизм экспрессии генов, связанный с транскрипцией и последующей трансляцией информации, которая зашифрована с помощью биологического кода, сложился в целом еще до того, как были сформированы эти два типа клеточной организации. Дивергентная эволюция геномов про- и эукариот привела к возникновению различий в организации их наследственного материала, что не могло не отразиться и на механизмах его экспресии.
    Постоянное совершенствование наших знаний об организации и функционировании материала наследственности и изменчивости обусловливает эволюцию представлений о гене как функциональной единице этого материала.

  6. Gavinraris Ответить

    Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами. У кишечной палочки (Е. coli) он представлен кольцевой молекулой ДНК длиной около 1 мм, которая содержит 4·106 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. Основная масса ДНК прокариот (около 95%) активно транскрибируется в каждый данный момент времени. Как было сказано выше, геном прокариотической клетки организован в виде нуклеоида – комплекса ДНК с негистоновыми белками.
    У эукариот объем наследственного материала значительно больше. У дрожжей он составляет 2,3 107 п.н., у человека общая длина ДНК в диплоидном хромосомном наборе клеток – около 174 см. Его геном содержит 3·109 п.н. и включает по последним данным 30-40 тыс. генов.
    У некоторых амфибий и растений геном характеризуется еще большими размерами, достигающими 1010 и 1011 п. н. В отличие от прокариот в эукариотических клетках одновременно активно транскрибируется от 1 до 10% ДНК. Состав транскрибируемых последовательностей и их количество зависят от типа клетки и стадии онтогенеза. Значительная часть нуклеотидных последовательностей у эукариот не транскрибируется вообще – молчащая ДНК.
    Большой объем наследственного материала эукариот объясняется существованием в нем помимо уникальных также умеренно и высоко повторяющихся последовательностей. Так, около 10% генома мыши составляют тандемно расположенные (друг за другом) короткие нуклеотидные последовательности, повторенные до 106 раз. Эти высоко повторяющиеся последовательности ДНК располагаются в основном в гетерохроматине, окружающем центромерные участки. Они не транскрибируются. Около 20% генома мыши образовано умеренными повторами, встречающимися с частотой 103-105 раз. Такие повторы распределены по всему геному и транскрибируются в РНК. К ним относятся гены, контролирующие синтез гистонов, тРНК, рРНК и некоторые другие. Остальные 70% генома мыши представлены уникальными нуклеотидными последовательностями. У растений и амфибий на долю умеренно и высоко повторяющихся последовательностей приходится до 60% генома.
    Избыточность генома эукариот объясняется также экзон-интронной организацией большинства эукариотических генов, при которой значительная часть транскрибированной РНК удаляется в ходе следующего за синтезом процессинга и не используется для кодирования аминокислотных последовательностей белков.
    В настоящее время окончательно не выяснены функции молчащей ДНК, которая составляет значительную часть генома, реплицируется, но не транскрибируется. Высказывают предположения об определенном значении такой ДНК в обеспечении структурной организации хроматина. Некоторая часть нетранскрибируемых нуклеотидных последовательностей, очевидно, участвует в регуляции экспрессии генов.
    Характеризуя наследственный материал прокариотической клетки в целом, необходимо отметить, что он заключен не только в нуклеоиде, но также присутствует в цитоплазме в виде небольших кольцевых фрагментов ДНК – плазмид.
    Плазмиды – это широко распространенные в живых клетках внехромосомные генетические элементы, способные существовать и размножаться в клетке автономно от геномной ДНК. Описаны плазмиды, которые реплицируются не автономно, а только в составе геномной ДНК, в которую они включаются в определенных участках. В этом случае их называют эписомами.
    В прокариотических (бактериальных) клетках обнаружены плазмиды, которые несут наследственный материал, определяющий такие свойства, как способность бактерий к конъюгации, а также их устойчивость к некоторым лекарственным веществам.
    В эукариотических клетках внехромосомная ДНК представлена генетическим аппаратом органелл – митохондрий и пластид, а также нуклеотидными последовательностями, не являющимися жизненно необходимыми для клетки (вирусоподобными частицами). Наследственный материал органелл находится в их матриксе в виде нескольких копий кольцевых молекул ДНК, не связанных с гистонами. В митохондриях, например содержится от 2 до 10 копий мтДНК.
    Внехромосомная ДНК составляет лишь небольшую часть наследственного материала эукариотической клетки. Например, мтДНК человека содержит 16569 п.н. и на её долю приходится менее 1% всей клеточной ДНК.
    В отличие от хромосомной ДНК, мтДНК характеризуется высокой «плотностью генов». В них нет интронов, а межгенные промежутки невелики. В кольцевой мтДНК человека содержится 13 генов, кодирующих белки (3 субъединицы цитохром С-оксидазы, 6 компонентов АТФазы и др.) и 22 гена тРНК. Значительная часть белков митохондрий и пластид синтезируется в цитоплазме под контролем геномной ДНК.
    Если большинство ядерных генов представлены в клетках организма в двойной дозе (аллельные гены), то митохондриальные гены представлены многими тысячами копий па клетку.
    Для генома митохондрий характерны межиндивидуальные различия, но в клетках одного индивида, как правило, мтДНК идентична.
    Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК, называют плазмоном. Он определяет особый тип наследования признаков – цитоплазматическое наследование.
    Общие принципы организации наследственного материала, представленного нуклеиновыми кислотами, а также принципы записи генетической информации у про- и эукариот свидетельствуют в пользу единства их происхождения от общего предка, у которого уже была решена проблема самовоспроизведения и записи информации на основе репликации ДНК и универсальности генетического кода. Однако геном такого предка сохранял большие эволюционные возможности, связанные с развитием надмолекулярной организации наследственного материала, разных путей реализации наследственной информации и регуляции этих процессов.
    Многочисленные указания на различия в организации генома, деталях процессов экспрессии генов и механизмов ее регуляции у про- и эукариот свидетельствуют в пользу эволюции названных типов клеток по разным направлениям после их дивергенции от общего предка.
    Существует предположение, что в процессе возникновения жизни на Земле первым шагом явилось образование самовоспроизводящихся молекул нуклеиновых кислот, не несущих первоначально функции кодирования аминокислот в белках. Благодаря способности к самовоспроизведению эти молекулы сохранялись во времени. Таким образом, первоначальный отбор шел на способность к самосохранению через самовоспроизведение. В соответствии с рассмотренным предположением позднее некоторые участки ДНК приобрели функцию кодирования, т.е. стали структурными генами, совокупность которых на определенном этапе эволюции составила первичный генотип. Экспрессия возникших кодирующих последовательностей ДНК привела к формированию первичного фенотипа, который оценивался естественным отбором на способность выживать в конкретной среде.
    Важным моментом в рассматриваемой гипотезе является предположение о том, что существенным компонентом первых клеточных геномов была избыточная ДНК, способная реплицироваться, но не несущая функциональной нагрузки в отношении формирования фенотипа. Предполагают, что разные направления эволюции геномов про- и эукариот связаны с различной судьбой этой избыточной ДНК предкового генома, который должен был характеризоваться достаточно большим объемом. Вероятно, на ранних стадиях эволюции простейших клеточных форм у них еще не были в совершенстве отработаны главные механизмы потока информации (репликация, транскрипция, трансляция). Избыточность ДНК в этих условиях создавала возможность расширения объема кодирующих нуклеотидных последовательностей за счет некодирующих, обеспечивая возникновение многих вариантов решения проблемы формирования жизнеспособного фенотипа.

  7. Met Ответить

    Функционирование и сохранность генетического материала в ряду поколений обеспечивается работой многочисленных ферментов. К основным генетическим процессам в клетке относятся: репликация (удвоение) ДНК, транскрипция (считывание), процессинг и трансляция (передача) генетической информации, биосинтез белка, рекомбинация генов и репарация ДНК.
    Репликация обеспечивает идентичность генетической информации в ряду поколений и, с другой стороны, дает возможность передачи измененного наследственного материала потомству. Репликация ДНК происходит в интерфазе митоза и мейоза.
    Тонкая структура гена (экзонно-интронная теория).
    Ген – это структурная, функционально неделимая единица наследственной информации, участок молекулы ДНК, кодирующий синтез какой-либо макромолекулы (и-РНК, р-РНК, т-РНК, белок, гликоген, гликопептид и т.д.). Согласно экзонно-интронной модели организации генетического материала, ген представляет собой определенный участок ДНК, имеющий слева 5~ – конец (начало гена) и справа 3~- конец (конец гена), между которыми расположены экзоны и интроны.
    СХЕМА: тонкая структура гена .
    При исследовании ДНК перед транскрибируемыми участками были обнаружены нетранскрибируемые, которые были названы “промоторы”, т.е. инициаторы транскрипции (связывают РНК-полимеразу). Установлено, что мутации в области промоторов могут резко снизить способность гена к экспрессии. Кроме того, выделены генные последовательности, усиливающие (энхансеры) и замедляющие (силансеры) ход транскрипции. В конце гена расположены последовательности – участок терминации транскрипции («стоп»-сигнал)
    В конце 70-х гг. установлено, что внутри гена имеются чередующиеся кодирующие или смысловые (экзоны) и некодирующие (интроны) последовательности.
    Имеются данные о том, что мутации в интронах, вплоть до их полной делеции, могут никак не сказываться на функции гена. Наряду с этим, известно, что интроны могут выполнять особую функциональную роль: они могут содержать специальные гены. Таким образом, роль интронных последовательностей еще предстоит изучить. Пример :
    ген VIII факторасвертываемости крови человека(187 тыс. п.н.),дефекты в котором приводят к гемофилии “А”. В самом большом интроне гена (39 т.п.н.) присутствуют последовательности встроенного в интрон гена. Транскрипция идет с ДНК оппозитной той, что несет интрон.
    Самый короткий ген – ген бетта-глобина – 1100 п.н., 3 экзона (90, 222, 126 п.н.) и 2 интрона (116, 646 п.н.). Ген фермента фенилаланин-4-гидроксилазы, мутации в котором приводят к развитию фенилкетонурии, относится к средним генам – 90 – 125 тыс. п.н., 13 экзонов и 12 интронов, причем доля интронов достигает 90%. Один из самых протяженных генов – ген дистрофина: 2 млн. 300 тыс. п.н., около 85 экзонов.
    Для систематизации информации о генах созданы компьютерные банки: Genebank, база данных MIM.
    Кроме ядерной ДНК у человека имеется митохондриальная, содержащая 2 гена, кодирующих р-РНК, 22 гена – т-РНК и 13 белок-кодирующих генов, несущих информацию о некоторых субъединицах тканевого окисления. Протяженность ДНК митохондрий около 16,5 тыс.пар нуклеотидов.
    Гены, имеющие сходную структуру и функции, были объединены в генные семейства. Существуют миозиновые, тубулиновые, миелиновые и другие семейства генов (более 100), а некоторые включают десятки групп родственных генов (суперсемейство цитохромов). ПРИМЕРЫ
    При изучении генных семейств в них были выявлены так называемые «молчащие» гены, т.е. гены, для которых не были обнаружены продукты их экспрессии, что объясняется различными изменениями структуры таких генов (нонсенс-мутации, изменения на границе экзонов и интронов, отсутствие промоторных областей и др.). Они были названы псевдогенами. Вопросы об их назначении и происхождении остаются открытыми, однако при некоторых наследственных заболеваниях выявлены мутации в псевдогенах.
    Рассмотрим этапы генной экспрессии:
    1 этап: транскрипция, т.е. переписывание информации с ДНК на матричную или информационную РНК;
    2 этап: процессинг, включающий в свою очередь:
    – сплайсинг, т.е. процесс вырезания интронов рестриктазами и сшивание кодирующих последовательностей (экзонов);
    – кээпирование и полиаденирование терминирующих последовательностей модифицированных м-РНК, по-видимому, с целью защиты их от неблагоприятного воздействия субстратов при прохождении через ядерную мембрану и при функционировании в цитоплазме;
    3 этап: трансляция, т.е. перевод полинуклеотидной последовательности РНК в первичную полипептидную цепочку. Этот процесс происходит на рибосомах при участии р-РНК и т-РНК, а также полимераз и др. ферментов;
    4 этап: посттрансляционные модификации, когда окончательно формируется биологически активный субстрат.
    Вся эта последовательность превращений от ДНК до конечного продукта называется экспрессией гена, и на всех этапах могут возникать “дефекты метаболизма”, что приводит к патологии (болезни нарушения экспрессии гена).
    На современном этапе установлено, что подавляющая часть геномной ДНК принадлежит некодирующим последовательностям, а гены занимают вряд ли более 10% всей нуклеиновой последовательности.
    Рассмотрим некоторые свойства генов:
    1) Дискретность действия, т.е. развитие различных признаков контролируется различными генами, локализация которых в хромосомах различна.
    2) Стабильность, т.е. при отсутствии мутаций ген передается в ряду поколений в неизменном виде.
    3) Специфичность действия, т.е. ген обуславливает развитие определенного признака или группы.
    4) Дозированность действия, т.е. ген обуславливает развитие признака до определенного количественного предела.
    5) Аллельное состояние, т.е. большинство генов существуют в виде 2-х и более альтернативных вариантов аллелей, которые локализованы в определенном локусе хромосомы. Если аллели идентичны по своему содержанию, то говорят о гомозиготном состоянии, если различны – о гетерозиготном.
    Рассмотрим некоторые понятия, необходимые для понимания генетических закономерностей в медицине:
    1) Геном – это количество ДНК или сумма нуклеотидных последовательностей, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом данного вида (у человека геном содержит 3,5+10 в 9-й степени п.н.; масса ДНК – 7,3*10 в минус 12-й степени грамма);
    2) Генотип – это совокупность генов организма, имеющая свое фенотипическое проявление. На основании результатов исследований у человека имеется около 20 тыс. генов. Для сравнения: кишечная палочка – 4 тыс., дрожжи – 7 тыс., дрозофила и плоские черви примерно – 24 тыс.
    3) Признак – это фенотипическое проявление гена или единица какой-либо дискретности (биохимической, физиологической, морфологической и др.), по которой один организм можно отличить от другого (Пр. группа крови, количество лейкоцитов ит.д.).
    4) Фенотип – это совокупность признаков организма, обусловленных генотипом.
    5) Экспрессивность – степень фенотипической выраженности (проявления) генетически детерминируемого признака. Пример: невральная амиотрофия Шарко-Мари-Тута (НАШМТ) может проявляться клинически только снижением периостально-сухожильных рефлексов в дистальных отделах конечностей, но в тяжелых случаях – имеют место выраженные атрофии мышц конечностей с инвалидизацией на втором десятилетии жизни; т.е. в данном случае экспрессивность широко варьирует.
    6) Пенетрантность – частота проявления фенотипа (признака или болезни), детерминируемого доминантным аллелем или рецессивным аллелем (в гомозиготном состоянии). Вероятность проявления признака среди носителей нормального или аномального гена. Пенетрантность вычисляется в %. Она может быть полной (100%), высокой, что типично для моногенной патологии.
    Понятия экспрессивности и пенетрантности введены в 1926 г. Н.В.Тимофеевым-Рессовским и Фогтом для описания варьирующего проявления генов.
    7) Фенокопия – состояние фенотипически сходное с проявлениями наследственной патологии, но не имеющие генетического дефекта, т.е. формирующиеся под воздействием внешней среды.
    8) Генокопии – состояния организмов имеющие фенотипическое сходство, но детерминируемые мутациями разных генов, либо различными внутригенными перестройками. Пример: прогрессирующая мышечная дистрофия Беккера и миодистрофия Эрба-Рота могут быть очень похожи фенотипически, но этиологически обусловлены различными генными мутациями.
    9) Генетическая гетерогенность (синоним термина «генокопия») характеризует фенотипически сходное патологическое состояние организма, в основе которого заложены различные генетические мутации. Пример: среди форм наследственных мото-сенсорных невропатий различают АД, Х-сц. и АР формы, более 5 типов, в каждом из которых выделено по нескольку подтипов. Явление генетической гетерогенности очень типично для моногенной патологии.
    10) Клинический полиморфизм. Болезнь любой этиологии проявляется неодинаково у разных индивидов. В ряде случаев клиническая картина одного и того же заболевания варьирует от стертых форм до тяжелейших проявлений. Клинический полиморфизм генных болезней проявляется в разных сроках начала заболевания у индивидов, полноте и тяжести симптоматики, продолжительности болезни, степени инвалидизации, толерантности к терапии, в сроках сокращения продолжительности жизни и др..
    На широту клинических проявлений патологического признака влияют многие как внешнесредовые, так и разнообразные генетические особенности.
    11) Аберрация – отклонение в строении или функции от нормы.
    12) Аллели – различные состояния гена, занимающие в гомологичных хромосомах идентичные участки и определяющие общность биохимических процессов развития какого-либо признака.
    13) Анеуплоидия – хромосомная мутация, затрагивающая количественный состав хромосом в паре гомологов.
    14) Антиципация – более тяжелое проявление признака при передаче в ряду поколений. Например, при передачи мутантного гена, ответственного за фенотип хореи Гентингтона, от пораженных отцов, в потомстве патология проявляется более рано и тяжело, что обусловлено экспансией (накоплением) тринуклеотидных CAG – повторов в начале гена.
    15) Гетерозиготность – различие по строению аллелей гена; гомозиготность – идентичность аллелей гена.
    16) Кариотип – совокупность структурных характеристик диплоидного хромосомного набора биологического вида.
    17) Локус – локализация молекулярно-биологического маркера в определенном районе ДНК.
    18) Маркер – секвенированный (расшифрованный) высокополиморфный участок ДНК.
    19) Мозаицизм – сочетание в кариотипе нормального и аномального хромосомных наборов.
    20) «Эффект положения» – изменение функциональной активности гена при смене его расположения в хромосомах, в следствии различных перестроек генетического материала.
    21) Рекомбинация – перераспределение генетического материала
    22) Сегрегация – распространение признака в ряду поколений.
    23) Скрининг – массовое исследование (биохимическое и др.) в популяции.
    24) Механизмы взаимодействия аллельных и неаллельных генов.
    а) Механизмы взаимодействия аллельных генов.
    1. Доминирование. Если функциональное состояние одного аллельного гена не зависит от другого, то это доминантный ген. Признак, контролируемый таким геном, проявляется полностью.
    2. Неполное доминирование. При взаимодействии рецессивного и доминантного генов наблюдается промежуточное проявление признака.
    3. Кодоминирование. Если гены активны в одинаковой мере, то это кодоминантные гены.
    б) Гены, расположенные в разных локусах, называются неаллельными. Различают следующие механизмы их взаимодействия:
    1. Комплементарность. Это такое состояние, когда при взаимодействии двух неаллельных доминантных генов возникает новый признак (нередко патологический). Например формирование патологического фенотипа при ретинобластоме или нефробластоме.
    2. Эпистаз или подавление одного гена другим. Эпистаз может быть доминантным и рецессивным: в первом случае отмечается подавление одного доминантного гена другим, а во втором – супрессором выступает рецессивный ген по отношению к доминантному.
    3. При взаимодействии генов из разных аллельных пар проявление признака чаще всего зависит от числа доминантных аллелей разных генов в генотипе организма. Это явление было названо полимерией.
    4. Следующий механизм взаимодействия генов называется эффектом положения (1928 г.). Его смысл заключается в изменении действия доминантного гена (усилении или, чаще, ослаблении) при перемещении гена в другое место.
    5. Плейотропный эффект гена объясняется формированием нескольких признаков, детерминируемых одним геном.
    25) Законы Менделя. Главные моменты законов были отражены ученым в 1866г. в работе «Опыты над растительными гибридами» на основе изучения 22 чистых линий садового гороха по семи парам признаков.
    1-й – закон доминирования или единообразия признака у гибридов первого поколения;
    2-й – закон расщепления признаков во втором поколении или закон “чистоты” гамет;
    3-й – закон независимого наследования неаллельных генов. Закон не действует при сцепленном состоянии генов.

  8. Moditius Ответить

    1 . Генный, хромосомный и геномный уровни организации наследственного аппарата.
    Генный уровень организации наследственного аппарата.
    Ген – это участок молекулы ДНК несущий информацию о структуре одного белка.
    Каждый ген отвечает за развитие отдельного признака. Число генов, заключенных в наследственном материале, велико.
    Закономерность передачи всего генетического материала из поколения в поколение достигается благодаря тому, что отдельные гены существуют не разрозненно, а собраны в хромосомы, с которыми происходят строго определенные превращения в процессе размножения клеток и организмов.
    1)Один ген образует один признак
    2)Один ген один фермент (белок)
    3)В настоящее время: один ген один полипептид
    Все гены делятся на структурные (несут информацию о белках) и регуляторные гены (контролируют и регулируют деятельность структурных генов).
    Различают также гены аллельные и неаллельные гены. Аллельные гены могут быть доминантными, рецессивными и промежуточными, или комбинированными; неаллельные — эпистатичными, гипостатичными, комплементарными, или индифферентными.
    Аллельные гены – это гены, расположенные в одинаковых локусах (участках) гомологичных хромосом и отвечающие за развитие альтернативных признаков.
    По своей абсолютной локализации гены делятся на аутосомные и гены, сцепленные с полом. Изменения генов (мутации) являются источником изменчивости и приводят иногда к генным болезням.
    Гены:
    1)Работающие, во всех клетках (общие)
    2)Работают в клетках одной ткани
    3)Узко специальные для клеток одного типа
    Хромосомный уровень организации наследственного аппарата.
    В соответствии с хромосомной теорией наследственный материал, представленный в виде отдельных генов, организован в хромосомы. Благодаря наличию хромосом достигается объединение генов в комплексы — группы сцепления, количество которых во много раз меньше числа генов. Это позволяет точно распределять наследственный материал между клетками или передавать его от организма к организму, а также создает условия для появления новых комбинаций групп сцепления (анафаза I мейоза) или участков гомологичных хромосом (кроссинговер в профазе I мейоза) в гаметах. Таким образом, наличие хромосомной организации наследственного материала обеспечивает закономерности его распределения в потомстве и разнообразие организмов данного вида по их генетической структуре.
    Геномный уровень организации наследственной информации.
    Геном – это гаплоидный набор хромосом (одинарный).
    Геномный уровень организации наследственного материала, объединяющий всю совокупность хромосомных генов, является эволюционно сложившейся структурой, характеризующейся относительно большей стабильностью, нежели генный и хромосомный уровни.
    Результатом функционирования генома является формирование фенотипа целостного организма. В связи с этим фенотип организма нельзя представлять как простую совокупность признаков и свойств, это организм во всем многообразии его характеристик на всем протяжении индивидуального развития. Таким образом, поддержание постоянства организации наследственного материала на геномном уровне имеет первостепенное значение для обеспечения нормального развития, организма и воспроизведения у особи в первую очередь видовых характеристик.
    Мутационные изменения, реализующиеся на геномном уровне организации наследственного материала,— мутации регуляторных генов, обладающих широким плейотропным действием, количественные изменения доз генов, транслокации и транспозиции генетических единиц, влияющие на характер экспрессии генов, наконец, возможность включения в геном чужеродной информации при горизонтальном переносе нуклеотидных последовательностей
    2. Генетический код, его свойства.
    Генетический код – система записи генетической информации в ДНК (РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов определяет последовательность включения АК в синтезируемый белок.
    В ДНК используется четыре азотистых основания — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК тимин заменяется урацилом (У).
    Свойства
    •Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).
    •Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
    •Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (исключение вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки)
    •Специфичность — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте.
    •Избыточность — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
    •Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности
    •Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.
    3. Химическая организация и свойства гена.
    Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК. Состоит из азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин) и фосфатного остатка.
    Свойства гена.
    •дискретность — несмешиваемость генов
    •стабильность — способность сохранять структуру
    •лабильность — способность многократно мутировать
    •множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм
    •аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена
    •специфичность — каждый ген кодирует свой признак;
    •плейотропия — множественный эффект гена;
    •экспрессивность — степень выраженности гена в признаке;
    •пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе;
    •амплификация — увеличение количества копий гена.
    4. Классификация генов (структурные и регуляторные) и генные мутации (замена азотистых оснований, сдвиг рамки считывания, инверсия нуклеотидных последовательностей.
    Структурный ген — это участок ДИК или РНК (у некоторых вирусов), определяющий линейную последовательность полипептидной цепи или одной молекулы тРНК или рРНК. За счет разных рамок считывания, альтернативного сплайсинга и различных промоторов с одного гена могут быть транскрибированы несколько мРНК, выполняющих сходные иди различные функции.
    Структурные гены, кодирующие синтез белков. Расположение нуклеотидных триплетов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном.
    Регуляторный ген- ген, регулирующий или модифицирующий активность других (чаще всего структурных) генов.
    Продукт регуляторного гена (обычно фактор транскрипции) может, как активировать, так и репрессировать биохимические процессы в клетке, позволяя ей тем самым приспосабливаться к изменениям окружающей среды, напр. к изменениям количества и качества поступающих в нее питательных веществ.
    Нескорректированные изменения химической структуры генов, воспроизводимые в последовательных циклах репликации и проявляющиеся у потомства в виде новых вариантов признаков, называют генными мутациями.
    Мутации по типу замены азотистых оснований тип мутации в ДНК или РНК, для которой характерна замена одного азотистого основания другим.
    Причины:
    •возникающее случайно или под влиянием конкретных химических агентов изменение структуры основания, уже включенного в спираль ДНК. Примером может служить дезаминирование цитозина, превращающегося в урацил самопроизвольно или под влиянием азотистой кислоты.
    •ошибочное включение в синтезируемую цепь ДНК нуклеотида, несущего химически измененную форму основания или его аналог. Примером этого может служить присоединение в ходе репликации к аденину материнской цепи нуклеотида с 5-бромурацилом (5-БУ), аналогичного тимидиловому нуклеотиду.
    Важным источником возникновения таких мутаций являются нарушения процессов репликации и репарации.
    Мутации со сдвигом рамки считывания. Этот тип мутаций составляет значительную долю спонтанных мутаций. Они происходят вследствие выпадения или вставки в нуклеотидную последовательность ДНК одной или нескольких пар комплементарных нуклеотидов. Большая часть изученных мутаций, вызывающих сдвиг рамки, обнаружена в последовательностях, состоящих из одинаковых нуклеотидов.
    При непрерывности считывания и неперекрываемости генетического кода изменение количества нуклеотидов, как правило, приводит к сдвигу рамки считывания и изменению смысла биологической информации, записанной в данной последовательности ДНК.
    Мутации по типу инверсии нуклеотидных последовательностей в гене. Данный тип мутаций происходит вследствие поворота участка ДНК на 180°. Обычно этому предшествует образование молекулой ДНК петли, в пределах которой репликация идет в направлении, обратном правильному.
    В пределах инвертированного участка нарушается считывание информации, в результате изменяется аминокислотная последовательность белка.
    5. Биосинтез белка (транскрипция, трансляция).
    Транскрипция (в ядре) – это переписывание информации с ДНК на и-РНК. Матрицей для транскрипции служит одна из нитей ДНК.
    Затем: и-РНК, т-РНК выходят из ядра.
    Трансляция (на рибосомах) – перевод последовательности нуклеотидов и-РНК в последовательности аминокислот полипептидной цепи.
    Матрицей для трансляции служит и-РНК.
    Последовательность процессов.
    1.Соединение и-РНК с рибосомой и образованию функционального центра рибосомы, в состав которого входят 2 триплета и РНК (6 нуклеотидов).
    2.Присоединение к транспортной т-РНК соответствующих аминокислот и транспортировка их и рибосомах.
    3.Считывание антикодоном Т-РНК кодона и-РНК, в случае их комплементарности – отделение аминокислоты от Т-РНК.
    4.Присоединение отделившейся от т-РНК аминокислоты к растущей белковой молекуле.
    5.Образование полипептида (белка).
    6.Особенности экспрессии генов у прокариот – регуляция транскрипции у прокариот (схема А. Жакоба и Ф. Мано).
    Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии посттрансляционных модификаций белков.
    Изучение регуляции генной активности у прокариот привело французских микробиологов Ф. Жакоба и Ж. Моно к созданию (1961) оперонной модели регуляции транскрипции. Оперон — это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований. Например, это могут быть гены, которые детерминируют синтез ферментов, участвующих в метаболизме какого-либо вещества или в синтезе какого-то компонента клетки. Оперонная модель регуляции экспрессии генов предполагает наличие единой системы регуляции у таких объединенных в один оперон структурных генов, имеющих общий промотор и оператор.
    В состав оперона входят расположенные друг за другом структурные гены, продукты которых обычно участвуют водном и том же метаболическом пути. Как правило, оперон имеет один набор регуляторных элементов (регуляторный ген, промотор, оператор), что обеспечивает координацию процессов транскрипции генов и синтеза соответствующих белков. Промотор – это участок ДНК, ответственный за связывание с РНК-полимеразой.
    Оператор – участок ДНК, с которым связывается белок-репрессор, мешая РНК-полимеразе начать транскрипцию.
    7. Особенности регуляции экспрессии генов у эукариот
    Регуляция экспрессии генов у эукариот протекает намного сложнее. Различные типы клеток многоклеточного эукариотического организма синтезируют ряд одинаковых белков и в то же время они отличаются друг от друга набором белков, специфичных для клеток данного типа. Уровень продукции зависит от типа клеток, а также от стадии развития организма. Регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне клетки и на уровне организма.
    Гены эукариотических клеток делятся на два основных вида: первый определяет универсальность клеточных функций, второй – детерминирует (определяет) специализированные клеточные функции. Функции генов первой группы проявляются во всех клетках. Для осуществления дифференцированных функций специализированные клетки должны экспрессировать определенный набор генов.
    Хромосомы, гены и опероны эукариотических клеток имеют ряд структурно-функциональных особенностей, что объясняет сложность экспрессии генов.
    1. Опероны эукариотических клеток имеют несколько генов – регуляторов, которые могут располагаться в разных хромосомах.
    2. Структурные гены, контролирующие синтез ферментов одного биохимического процесса, могут быть сосредоточены в нескольких оперонах, расположенных не только в одной молекуле ДНК, но и в нескольких.
    3. Сложная последовательность молекулы ДНК. Имеются информативные и неинформативные участки, уникальные и многократно повторяющиеся информативные последовательности нуклеотидов.
    4. Эукариотические гены состоят из экзонов и интронов, причем созревание и-РНК сопровождается вырезанием интронов из соответствующих первичных РНК-транскриптов, т.е. сплайсингом.
    5. Процесс транскрипции генов зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК полностью блокирует синтез РНК.
    6. Транскрипция в эукариотических клетках не всегда сопряжена с трансляцией. Синтезированная и-РНК может длительное время сохраняться в виде информосом. Транскрипция и трансляция происходят в разных компартментах.
    7. Некоторые гены эукариот имеют непостоянную локализацию (лабильные гены или транспозоны).
    8. Методы молекулярной биологии выявили тормозящее действие белков-гистонов на синтез и-РНК.
    8 Гибридологический метод и изменения, внесённые Менделем, Посттрансляционные изменения белков: фолдинг.
    В отличие от своих предшественников, Мендель не учитывал весь разнообразный комплекс признаков у родителей и их потомков, а выделял и анализировал наследование по отдельным альтернативным признакам.
    Был проведен обычный количественный учет наследования каждого альтернативного признака в ряду последовательных поколений. Было прослежено не только первое поколение от скрещивания, но и характер потомства каждого гибрида в отдельности при самоопылении. Мендель проанализировал закономерность наследования как в тех случаях, когда родительские организмы отличались по одной альтернативной паре, так и в случаях, когда они различались по нескольким парам признаков.
    Сущность гибридологического метода заключается в следующем: 1) для скрещивания выбирают родительские формы, четко различающиеся по одной, двум или трем парам контрастных, альтернативных признаков. 2) выбранные для скрещивания родительские формы должны быть генетически чистыми. 3) Мендель ввел точный математический учет наследования каждого отдельного признака. Наблюдению подвергают все без исключения растения в каждом отдельном поколении. Как правило, для определения наследования признака используют гибриды первого, второго и иногда третьего поколений; 4) гибриды и их потомки в каждом из следующих друг за другом поколений не должны обнаруживать заметных нарушений в плодовитости; 5) Мендель ввел буквенное обозначение наследственных задатков (генов) различных признаков. Например, А — ген доминантного признака, а — ген рецессивного признака.
    Посттрансляционные изменения белков включают формирование высших структур белка после синтеза полипептидной цепи в рибосомах. Описаны более сотни различных вариантов посттрансляцийних изменений в белках. К наиболее известным принадлежат:
    Фолдинг белков. Это свертывание полипептидной цепи в трехмерную структуру. Если белок состоит из нескольких субъединиц, то фолдинг включает и их объединение в одну макромолекулу. Фолдинг – это обязательный этап превращения полипептидной цепи, которая сходит с рибосомального конвейера, на функционально активный белок. В результате фолдинга у полипептида уменьшается свободная энергия, гидрофобные остатки аминокислот упаковываются преимущественно в середину молекулы, а гидрофильные остатки располагаются на поверхности белковой глобулы
    9)Первый и второй законы Менделя (единообразия и расщепления) генетические схемы наследования и их цитологическое подтверждение.
    Закон единообразия:
    Относительно просто выращивается и имеет короткий период развития;
    Имеет многочисленное потомство, благодаря чему легко прослеживаются статистические закономерности в гибридном поколении;
    Имеет большое количество хорошо заметных альтернативных признаков (окраска венчика – белая или красная; окраска семядолей – зеленая или желтая; форма семени – морщинистая или гладкая; окраска боба – желтая или зеленая; форма боба – округлая или с перетяжками; расположение цветков или плодов – по всей длине стебля или у его верхушки; высота стебля – длинный или короткий);
    Является строгим самоопылителем, в результате чего имеет большое количество чистых линий, устойчиво сохраняющих свои признаки из поколения в поколение.
    Имеет семь пар хромосом в диплоидном наборе.
    Генетическая символика, предложенная Г.Менделем и другими учеными и используемая для записи результатов скрещиваний в настоящее время: Р. – родители; G – гаметы; F – потомство, число внизу или сразу после буквы указывает на порядковый номер поколения (F1 – гибриды первого поколения – прямые потомки родителей, F2 – гибриды второго поколения – возникают в результате скрещивания между собой гибридов F1); х – значок скрещивания; > – мужская особь; + – женская особь; А – доминантный признак; а – рецессивный признак.
    Позже выявленная закономерность была названа законом единообразия гибридов первого поколения, или законом доминирования. Это первый закон Менделя: при скрещивании двух организмов, относящихся к разным чистым линиям (двух гомозиготных организмов), отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным, и будет нести признак одного из родителей.

  9. Fabulous_unicorn Ответить

    К следующему этапу исследований относится работа Эйвери, Мак-Леода и Мак-Карти, которые установили химическую природу трансформирующего агента. С помощью различных химических и ферментативных методов им удалось доказать, что трансформирующим началом служит ДНК.
    Так, опыты Эвери по трансформации доказали, что ген – это участок ДНК. Другим опытом, доказывающим роль ДНК в клетке, стал опыт по трансдукции. Трансдукция – это перенос с помощью вирусов фрагментов ДНК от одной клетки к другой. В 1952 году Ледерберг и Зиндер работали с двумя штаммами 2А и 22А сальмонелл. Эти штаммы отличались разной способностью к синтезу триптофана. Штамм 2А имел ген, ответственный за синтез триптофана, поэтому мог расти на питательной среде без этой аминокислоты. Штамм 22А такой способностью не обладал. Оба эти штамма поместили в U –образную колбу, разделенную бактериальным фильтром, и через некоторое время высеяли оба штамма на питательную среду без триптофана. Удивительным было то, что штамм 22А приобрел способность расти на такой питательной среде. Это явление объяснили тем, что в бактериях в это время находились вирусы – бактериофаги. Бактериофаг состоит из белковой капсулы и молекулы нуклеиновой кислоты. Он с помощью ферментов разрушает участок клеточной мембраны и через образовавшееся отверстие вводит свою ДНК в клетку. ДНК бактериофага соединяется с ДНК бактериальной клетки и редуплицируется в составе ее генома. Количество фаговых частиц при этом быстро увеличивается. Со временем фаговые частицы разрушают бактериальную клетку и выходят в окружающую среду. При этом они уносят часть ДНК клетки хозяина. Таким образом и был осуществлен перенос с помощью бактериофага участка ДНК от штамма 2А штамму 22А.
    После доказательства роли ДНК встал вопрос о роли генов в клетке. Впервые связь между генами и ферментами была обнаружена уже через несколько лет после повторного открытия законов Менделя. Исследуя родословные семей, А. Гаррод пришел к выводу, что алкаптонурия, является наследственной, причиной которой является нарушение какой-то ферментативной метаболической реакции. В 1940 году Бидл и Татум выдвинули теорию один ген – один фермент, согласно которой каждый ген имеет только одну первичную функцию, состоящую в том, чтобы направлять синтез одного фермента. Эта гипотеза была подтверждена работами многих ученых. В частности в 1949 году Лайнус Поллинг и его коллеги изучали серповидноклеточную анемию и сделали вывод, что это «молекулярная болезнь», контролируемая геном. Работы Сингера по изучению первичной структуры белка привели к уточнению гипотезы ген- фермент в гипотезу один ген – один полипептид.
    Дальнейшее изучение молекулярных основ наследственности и изменчивости организмов привело к расшифровке генетического кода ДНК, выяснению механизмов биосинтеза белков в клетке и молекулярных механизмов генных мутаций. Начало расшифровке генетического кода было положено в середине XX века, когда Георгий Гамов доказал, что одну аминокислоту могут кодировать три нуклеотида ( генетический код – триплетен). В 1961 году Ниренберг, Маттеи и Очоа определили триплеты для всех 20 аминокислот. При этом было показано, что генетический код имеет вырожденный характер, что означает способность для одной и той же аминокислоты быть закодированной несколькими разными триплетами, например, аланин кодируют триплеты: АЦГ, ЦЦГ, УЦГ и ГЦГ. Генетический код обладает свойством универсальности, то есть он един для всего живого. Генетический код характеризуется неперекрываемостью. Генетическая информация считывается по триплетно, и один нуклеотид не может входить в разные триплеты.
    Согласно современным представлениям ген – единица генетического материала, которая передается от родителей потомству и может быть обнаружена в эксперименте по ее способности мутировать в различные состояния, рекомбинировать с другими такими же единицами и функционировать, наделяя организм каким-либо конкретным фенотипом.
    Работы Бензера, Демереца и др. помогли раскрыть молекулярные основы гена. Бензер выделял цистроны, реконы и мутоны. Наименьшей единицей рекомбинации равной двум парам нуклеотидов является рекон. Наименьшей единицей мутации также равной двум парам нуклеотидов является мутон. А наименьшей единицей функциональной активности является цистрон. Позднее цистроном стали называть участок молекулы ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, определяющей первичную структуру синтезируемой молекулы м-РНК и соответствующего полипептида, либо одиночной молекулы т-РНК или р-РНК. Современный период понимания гена, начавшийся с 70-х гг., связан с появлением новых знаний о прерывистой структуре генов эукариот. У эукариот в отличие от прокариот выделяют экзоны и интроны. Такое чередование интронов и экзонов определяют свойство гена – дискретность или прерывистость. Другими свойствами генов являются специфичность – в каждом гене специфичный порядок нуклеотидов, который контролирует развитие определеного признака (каждый ген отвечает за синтез одного конкретного белка); плейотропность – один ген может влиять на развитие разных признаков (Слайд № 1 )(например, доминантный ген, детерминирующий синдром Марфана, который заключается в развитии симптомокомплекса: арахнодактилия (длинные и тонкие паучьи пальцы), патология соединительной ткани (аневризма аорты), астеническое телосложение, катаракта хрусталика; градуальность, т.е. ген может усиливать степень проявления признаков при увеличении числа доминантных аллелей, например, анофтольмия, талассемия, серповидно-клеточная анемия ( у гомозигот с генотипом АА – развивается тяжелая форма анемии. Эритроциты становятся полулунной формы, теряют эластичность, становясь причиной образования тромбов. Смертность от этого заболевания продолжает оставаться высокой, особенно в детском возрасте. У гетерозигот с генотипом Аа заболевание клинически почти не проявляется. полигенность, т.е. на развитие одного и того же признака могут влиять разные гены. Большинство признаков у человека полигенные. Например, рост, цвет кожи, величина артериального давления контролируются несколькими генами; пенетрантность, то есть пробиваемость гена в признак. Пенетрантность определяется по % индивидуумов, несущих ген, у которых он фенотипически проявился. Большинство генов пробиваются со 100% пенетрантностью (полидактилия, фенилкетонурия, фруктозурия и т.д.). В некоторых случаях пробиваемость гена в признак зависит от: генотипа (шизофрения: у гомозигот проявляется со 100% пенетрантностью, у гетерозигот – с 20%), от пола (подагра: проявляемость у женщин 0%, у мужчин – 20%), от возраста ( хорея Гентин-гтона В 20-24 года пенетрантность составляет 8,3%, в 30-34 года – 18%), от факторов внешней среды (например, фенилкетонурия. При ранней диагностике и своевременном лечении – диете, не содержащей фенилаланин – пенетрантность равна 0).
    Совокупность генов в клетке называется –ГЕНОМ. Ученые, конечно, еще весьма далеки от возможности расписать строение организма, исходя из последовательностей его генома. Мы на сегодняшней лекции рассмотрим лишь правила, согласно которым определенные наборы генов избирательно активируются в каждой клетке.
    Хорошо известно, что ферменты в клетке представлены двумя классами: конститутивные и индуцированные.
    Конститутивные ферменты бактериальной клетки встречаются всегда, они не зависят от условий окружающей среды. Что, касается индуцированных ферментов, то они образуются только при наличии определенных индукторов. Это явление получило название ферментативной индукции.
    Всего лишь 40 лет назад мысль о том, что ген можно включать или выключать, казалась абсурдной. Гипотеза, сыгравшая такую важную роль в понимании работы клеток, была выдвинута на основании изучения кишечной палочки, растущей на смеси глюкозы и лактозы ( дисахарид). Если бактерии предоставляли выбор источника углерода, она сначала использовала всю глюкозу и лишь затем начинала метаболизировать лактозу. Переключение на лактозу сопровождалось остановкой роста, в течении которой синтезировался фермент – галактозидаза, гидролизирующий лактозу до глюкозы и галактозы. Выделение и характеристика мутантных бактерий, обладающих определенными дефектами в регуляции такого подключения, дало толчок биохимическим исследованиям, которые в 1961г. привели к идентификации и выделению белка-репрессора лактозного оперона у кишечной палочки.
    Концепцию оперона разработали Жакоб и Моно. Согласно определению Жакоба оперон это такого рода район в ДНК, где имеется группа генов, деятельность которых контролируется единым образом.
    Слайд № 3. В состав оперона входят структурные гены( А,В). – это гены, контролирующие синтез ферментативных белков, путем кодирования положения аминокислот в молекуле белка. Однако оказалось, что их эффект не является автономным и существует целая система генов, которые регулируют действие структурных генов. Эти гены называются – регуляторные.
    Изучение генетического контроля утилизации лактозы в клетках кишечной палочки как раз привело исследователей к выводу о существовании белка –репрессора, который в отсутствии лактозы в среде выключает синтез – галактозидазы . Репрессор ингибирует транскрипцию лактозного оперона, связываясь с так называемым оператором.( Оператор- последовательность нуклеотидов ДНК, которая перекрывается с расположенным по соседству с участком связывания РНК-полимеразы ( промотором). До тех пор, пока репрессор остается связанным с оператором, доступ РНК-полимеразы к ее участку связывания закрыт и транскипция ближайших областей ДНК не происходит.
    Белок- репрессор лактозного оперона отвечает за то, чтобы синтеза – галактозидазы, соответствовал потребностям клетки. Лактозный репрессор в свою очередь находится под контролем аллолактозы, которая образуется в клетках в присутствии лактозы. Когда внутриклеточное содержание аллолактозы достигает достаточно высокого уровня, она, выполняя функцию аллостерического регулятора, индуцирует конформационные изменения в молекуле репрессора. При этом связь его с ДНК ослабевает настолько, что он отделяется от нее, освобождается промотор и давая возможность РНК-полимеразе транскрибировать прилежащие области ДНК. В этом случае говорят о депрессии гена. Такая система регуляции позволяет кишечной палочке производить фермент, необходимый для расщепления лактозы, лишь тогда, когда это необходимо.
    В опытах Жакоба и Моно были изучены основы регуляции генной экспрессии и дифференциальной активности генов ( ген работает не всегда, у каждого гена есть свое время действия и поле действия).
    Что касается эукариот, включая человека, то внутриклеточная регуляция биосинтеза белков у этих организмов является гораздо более сложной и менее изученной, чем у бактерий и вирусов, что связано в первую очередь с особенностями организации их геномов. Экспрессия генов у эукариот контролируется на пяти уровнях (слайд № 3)
    К числу особенностей эукариот относится прерывистая (мозаичная) структура их генов и связанный с этим процессинг РНК. В результате сплайсинга (вырезание интронов и сшивание экзонов) могут на основании одной и той же нуклеотидной последовательности гена формироваться разные варианты белковых молекул.
    Предполагают, что у эукариот каждый оперон содержит один структурный ген и множество регуляторных генов. Структурные гены, ответственные за разные звенья одной цепи биохимических реакций, могут быть сосредоточены не в одном опероне, а рассеяны по геному.
    У эукариот существует путь регуляции генной активности, отсутствующий у более простых форм – одновременно групповое подавление активности генов в целой хромосоме или ее большем участке осуществляется белками-гистонами, входящими в состав хромосом. В целом регуляция генной активности у выс­ших организмов менее изучена; взаи­моотношения регуляторных и струк­турных генов осложняются в силу ряда причин: наличие обособленного от цитоплазмы ядра, сложное строение хро­мосомы, дифференцировка клеток, вли­яние общих систем регуляции орга­низма, в частности гормонов, оказы­вающих сильное трансформирующее действие на проявление генной актив­ности.
    У эукариот наблюдается также групповая регуляция активности генов на этапе транскрипции, связанная с особенностями организации гетерохроматиновых и эухроматиновых участков их хромосом (эухроматиновые районы хромосом генетически активны, а гетерохроматиновые генетически неактивны).
    В настоящее время известны механизмы регуляции активности генов, которые действуют как на этапе трансляции происходит отбор м-РНК осуществляемое рибосомами), так и на этапе эпигенеза.
    Оценивая особенности генетической регуляции биосинтеза белков у эукариот, необходимо отметить, что у многоклеточных организмов ее механизмы являются сложными, имеют многоуровневый характер и не ограничиваются лишь процессами, происходящими в рамках одной клетки. Так, для млекопитающих и человека установлено существование большого числа факторов регуляции различных надклеточных уровней (тканеспецифические и органоспецифические белки-активаторы, факторы нервной и эндокринной систем). Например, беттаглобин является тканеспецифическим белком, кодирующий его ген может активно экспрессироваться лишь в клетках красного костного мозга и у их предшественников. Детальное рассмотрение тонкой структуры гена и регуляция работы генов легло в основу центральной догмы молекулярной генетики: ( слайд № 4) ДНК ® пром-РНК ® м-РНК ® полипептид ® белок-фермент ®
    признак ® варианты признака (норма и патология).-
    Эта схема показывает: если все этапы реализации генетической информации в признак происходят без изменений то формируется нормальный признак. Если же на каком либо этапе происходят патологические изменения ( мутация в ДНК, нарушения при образовании м-РНК и т.д.) – это приводит к возникновению патологического признака).
    Трансляция с молекул и-РНК в рибосомах происходит благодаря комплементарному соответствию кодона и-РНК и антикодона в молекулах т-РНК.
    Начало прямого генетико-биохимического анализа природы кодонов было положено в 1961 г. Ниренбергом и Маттеи, которые создали простейшие синтетические полимеры и заменили ими нативные молекулы и-РНК в системе из компонентов клеток бактерий и смеси аминокислот. В смеси каждого типа одна из аминокислот была помечена радиоактивным углеродом (С14), другие 19 аминокислот не обладали меткой. Было найдено, что синтетический полирибонуклеотид, составленный только из урацилов, – полиуридиловая кислота определял синтез белка, в котором каждая аминокислота была фенилаланином. В другом опыте было показано, что полинуклеотид, состоящий только из цитозинов (поли-Ц), определял включение в белок аминокислоты пролина. Синтетические полинуклеотиды приготовлялись с использованием фермента полинуклеотидфосфорилазы. Он связывал нуклеотиды в случайном порядке. Для первых экспериментов это было достаточным, ибо в них использовались синтетические полинуклеотиды, составленные из одного типа нуклеотидов. Затем были найдены пути более сложных синтезов молекул из разных нуклеотидов с разными взаимоположениями.
    Эта новая методика была широко развита Очоа и его сотрудниками. Она позволила им определить триплеты для всех двадцати аминокислот. При этом было показано, что генетический код имеет вырожденный характер, что означает способность для одной и той же аминокислоты быть кодированной несколькими разными триплетами. Например, аланин кодируется триплетами АЦГ, ЦЦГ, УЦГ и ГЦГ, в которые во всех случаях входят нуклеотиды цитозин и гуанин. К 1966 г. были изучены 61 триплет из 64 возможных. Для всех двадцати аминокислот были найдены их кодоны.
    Язык, на котором клетка дает генетические приказы для синтеза молекул белков, оказался исключительно универсальным. В опыте Эренштейна и Липмана в 1961 г. молекулы и-РНК и рибосомы были взяты из ретикулоцитов кролика, а транспортная РНК – из клеток E. coli. В бесклеточной системе были синтезированы белки, аналогичные гемоглобину кролика. Такие полипептиды могли образоваться лишь в том случае, если антикодоны в транспортной РНК E. coli соответствуют кодонам в молекулах и-РНК кролика.
    Огромную роль в генетическом коде играют так называемые бессмысленные триплеты. Эти триплеты не соответствуют никаким аминокислотам, и на них обрывается синтез белковой цепи. Таким образом, они играют роль пунктуации, определяя границы между генами и давая сигналы для конца транскрипции.
    В некоторых условиях in vitro код может оказаться двусмысленным, это означает, что один триплет может кодировать несколько аминокислот. Так, кодон УУУ в обычных условиях кодирует аминокислоту фенилаланин. Однако, если рибосомы были обработаны стрептомицином, этот кодон начинает кодировать также изолейцин и серин. Пониженная температура и высокая концентрация ионв Mg++ также вызывают двусмысленность в действии кода.
    Генетический код характеризуется неперекрываемостью. Этот принцип был доказан исследованием мутаций, нарушающих синтез белков. В случае неперекрываемости кода изменения в одной паре нуклеотидов незбежно должны вести к нарушению в трансляции трех аминокислот, ибо при перекрещивающемся коде каждый из нуклеотидов входит в три кодона. На самом же деле эксперименты показали, что мутации изменяют транслирование только одной аминокислоты, что ясно указало на неперекрываемость кода.
    Поскольку молекула ДНК имеет двунитчатый характер, представлялись возможными разные структурные характеристики кода. Возможно, что код транскрибируется с обоих полинуклеотидов. Тогда в каждой молекуле ДНК лежат две параллельные записи генетической информации. Наконец, возможно, что код транскрибируется только с одной полинуклеотидной цепи. По-видимому, последнее правильно. Причем для чтения кода in vivo вторая цепь отнюдь не инертна, она участвует в репликации новой молекулы ДНК.
    Для теории генетического кода существенна характеристика протекания процесса транскрипции. Было показано, что триплетный генетический код считывается постепенно со стартовой точки в начале гена и постепенно доходит до его конца. Справедливость этой концепции была показана в опытах Крика и других, в 1961 году изучавших акридиновые мутации у фага Т4. Было показано, что действие акридиновых оснований имеет специфический характер. Акридин вызывает в нити ДНК или вставку отдельных азотистых оснований, или их потерю. Были найдены супрессорные изменения, пролившие свет на принципы транскрипции.

  10. Alukone Ответить

    Министерство здравоохранения Российской Федерации
    Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
    «Саратовский государственный медицинский университет
    Имени В.И. Разумовского»
    Министерства здравоохранения Российской Федерации
    Кафедра общей биологии, фармакогнозии и ботаники
    КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
    Дисциплина «Генетика»
    Саратов 2013 г.
    Теоретический вопрос
    Уровни организации наследственного материала. Характеристика ядерного генома человека
    Генный уровень организации наследственного материала.
    Изучите основополагающую информацию:
    В эукариотических клетках имеется два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Материальным субстратом наследственности и изменчивости у человека, как и большинства организмов, является молекула ДНК.
    Функции ДНК:
    . Хранение наследственной информации.
    ДНК одной клетки содержит информацию о структуре всех белков и молекул РНК целого организма; о последовательности реализации информации в онтогенезе.
    . Передача наследственной информации от клетки к клетке, от организма к организму. Эту функцию обеспечивает способность ДНК к самоудвоению (репликации) перед каждым клеточным делением.
    . Реализация наследственной информации. ДНК способна к последовательной передаче закодированной генетической информации – сначала на молекулы информационных РНК, а затем белков.
    Строение ДНК: ДНК – это линейный полимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входит пятиуглеродный сахар дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и одно из азотистых оснований – аденин, гуанин, тимин или цитозин (рис. 1)
    Рис. 1. Схема строения нуклеотида ДНК
    Присоединение нового нуклеотида (сборка полинуклеотидной цепи) происходит только на одном конце: там, где находится свободная 3′(ОН) предыдущего нуклеотида. Начало цепи всегда несёт фосфатную группу в положении 5′. Это позволяет выделить в полинуклеотидной цепи 5′ и 3′-концы и определить направление её синтеза: 5′ > 3′. ДНК – двухцепочечная молекула. Цепи ДНК соединяются друг с другом по принципу комплементарности: напротив А одной цепи стоит Т другой цепи, напротив Г одной цепи – Ц другой цепи. Азотистые основания соединяются водородными связями: между аденином и тимином образуется две водородных связи (А=Т), между гуанином и цитозином – три (Г?Ц). Цепи ДНК не только комплементарны друг другу, но и антипараллельны: напротив 5′ (Ф) – конца одной цепи стоит 3′ (ОН) – конец другой цепи, и наоборот (рис. 2). ДНК – двойная спираль полинуклеотидных цепей, чаще закрученных вправо.
    Рис.2. Строение участка молекулы ДНК.
    Строение РНК соответствует строению молекулы ДНК. Однако существуют отличия: это одноцепочечная молекула, в состав нуклеотида РНК вместо дезоксирибозы входит рибоза, а вместо тимина – урацил. Существует несколько видов РНК, основными из них являются: иРНК – информационная, рРНК – рибосомальная, тРНК – транспортная. Их функции: иРНК переносит информацию из ядра в цитоплазму, рРНК входит в состав рибосом, тРНК транспортирует аминокислоты к рибосомам.
    Направление движения генетической информации описывает “центральная догма” молекулярной биологии: ДНК > иРНК > белок (Ф. Крик, 1955). Белки основной строительный материал клеток. Клетки способны синтезировать огромное количество белков (полипептидов), состоящих из 20 основных аминокислот. Порядок расположения аминокислот в полипептиде определяют нуклеотиды ДНК (иРНК).
    Генетический код – способ записи информации о последовательности аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов ДНК (иРНК) (табл. 2).
    Последовательность из трех нуклеотидов ДНК (иРНК) называется триплет или кодон. В составе генетического кода 64 кодона, три из них являются некодирующими. Основные свойства генетического кода: специфичность – каждый кодон кодирует одну определенную аминокислоту; вырожденность – каждая аминокислота (кроме метионина и триптофана) может быть закодирована двумя или более кодонами.
    Таблица 2
    Генетический код (в кодонах иРНК)
    Первый нуклеотидВторой нуклеотидТретий нуклеотидУЦАГУФен Фен Лей ЛейСер Сер Сер СерТир Тир – -Цис Цис – ТриУ Ц А ГЦЛей Лей Лей ЛейПро Про Про ПроГис Гис Глн ГлнАрг Арг Арг АргУ Ц А ГАИле Иле Иле МетТре Тре Тре ТреАсн Асн Лиз ЛизСер Сер Арг АргУ Ц А ГГВал Вал Вал ВалАла Ала Ала АлаАсп Асп Глу ГлуГли Гли Гли ГлиУ Ц А Г
    Сокращения названий аминокислот:
    Ала – аланин, Арг – аргинин, Асн – аспарагин, Асп – аспарагиновая кислота, Вал – валин, Гис – гистидин, Гли – глицин, Глн – глутамин, Глу – глутаминовая кислота, Иле – изолейцин, Лей – лейцин, Лиз – лизин, Мет -метионин, Про – пролин, Сер – серин, Тир – тирозин, Тре -треонин, Три – триптофан, Фен – фенилаланин, Цис -цистеин.
    Правила пользования таблицей
    Первый нуклеотид в триплете берётся из левого вертикального ряда, второй – из верхнего горизонтального ряда, третий – из правого вертикального ряда. Там, где пересекутся линии, идущие от всех трёх нуклеотидов, и находится искомая аминокислота
    Реализация “центральной догмы” осуществляется посредством реакций матричного синтеза транскрипции и трансляции. Транскрипция – синтез иРНК (и других видов РНК) на матрице одной из цепей ДНК.
    Трансляция – синтез полипептидной цепи белка на рибосомах на матрице иРНК при участии тРНК.
    Нуклеотиды (кодоны) ДНК5?…АТГ ТТТ ЦТЦ… 3? 3?…ТАЦ ААА ГАГ… 5? транскрипцияНуклеотиды (кодоны) иРНК5’…АУГ УУУ ЦУЦ… 3′ трансляцияАнтикодоны тРНК УАЦ, ААА, ГАГАминокислоты белка…мет – фен – лей…
    Гены (или наследственные задатки Г. Менделя, 1865) – минимальные структурно-функциональные единицы наследственности, локализованные в определённых локусах (местах) хромосом (Т. Морган, 1910) и отвечающие за конкретные признаки. Ген – участок молекулы ДНК (1953г.), в котором закодирована информация о первичной структуре белка. Это определение соответствует только структурному гену, кодирующему последовательности аминокислот белка.
    Ген имеет определенные свойства (табл. 2).
    Известно, что у человека ~75% ДНК хромосом приходится на межгенные промежутки и только ~25% ДНК представляет собой собственно гены. Структурные гены ключевых ферментов – это уникальные нуклеотидные последовательности ДНК, представленные единичными копиями в геноме. Гены белков часто обновляющихся клеточных структур (например, рибосом), а также гены тРНК, рРНК, белков-гистонов повторены в геноме или многократно, или среднее число раз.
    Таблица 2
    Свойства гена
    СвойстваСущностьДискретностьГен обособлен в своей функциональной активности от других генов (несмешиваемость генов)СпецифичностьКаждый ген кодирует свой молекулярный продукт – белок или РНКСтабильностьСпособность сохранять свою нуклеотидную последовательность, т.е. молекулярную формуЛабильностьСпособность многократно мутировать, т.е. изменять молекулярную формуМножественный аллелизмГен может иметь несколько молекулярных форм (множество аллелей), но из них в генотипе диплоидного организма может быть только два аллеляАмплификацияСпособность к увеличению количества своих копий в геномеПлейотропияМножественный фенотипический эффект действия одного генаЭкспрессивностьСтепень фенотипического проявления гена ПенетрантностьЧастота (%) проявления гена в популяции
    Структура гена эукариот:
    Гены эукариот, как правило, имеют экзон-интронное (мозаичное) строение. Экзоны – кодирующие участки гена, интроны – некодирующие участки гена. Размер интронов от 100 до 10 тыс. пар нуклеотидов (п. н.). Количество экзонов и интронов различное – от 1 до 75 и более. Например, в гене инсулина 1 интрон и 2 экзона, в гене ?-глобиновой цепи гемоглобина 2 интрона и 3 экзона, в гене миодистрофии Дюшена 75 экзонов, в гене фермента фенилаланингидроксилазы – 12 интронов. Есть и исключения: гены белка-гистона Н1, интерферона, многие гены митохондрий не имеют интронов. У каждого человека последовательность нуклеотидов в интронах строго индивидуальна (используется при идентификации личности). Мутации на границе интронов и экзонов “запрещены” – не совместимы с жизнью. Мозаичная структура генов эукариот повышает их информационную ёмкость (1 ген может кодировать несколько полипептидов), увеличивает степень комбинативной изменчивости, обеспечивает более совершенную регуляцию функции генов.
    В гене эукариот различают регуляторную и транскрибируемую зону (рис. 3). К регуляторной зоне гена относятся энхансеры (усилители транскрипции) и сайленсеры (ослабители транскрипции), промотор. Промотор – это участок узнавания и присоединения фермента, осуществляющего транскрипцию – РНК-полимеразы. В состав транскрибируемой зоны гена входят: зона кэпирования, чередующиеся экзоны и интроны, затем следует некодирующий трейлерный участок, на конце которого располагается зона полиаденилирования.
    Рис. 3. Структура гена эукариот
    Экспрессия гена – это процесс реализации наследственной информации гена в признак, на молекулярном уровне – это процесс синтеза молекулы белка. В каждом типе клеток многоклеточного организма экспрессируется свой набор генов. Большинство генов наследственного аппарата клетки находится в репрессированном состоянии и только 7-10% активны.
    В разный период онтогенеза в клетках разного типа требуется синтез определенных белков в необходимом количестве. Экспрессия обеспечивает синтез белков общего назначения на протяжении всего онтогенеза и в любой клетке. Появление в клетке специфических продуктов – результат экспрессии строго регулируемых генов, активность которых зависит от регулирующих факторов – гормонов, веществ, определяющих дифференцировку клеток, температуры и др. Активность экспрессии гена определяет количество молекулярного продукта. Варьирование количества продукта одних генов допустимо, других – запрещено. Некоторые заболевания сопровождаются избыточной экспрессией гена: например, синтез онкогенов при онкологических заболеваниях или синтез антител при аутоиммунных заболеваниях.
    Экспрессия гена эукариот проходит в несколько этапов (табл. 3)
    Таблица 3
    Этапы экспрессии гена эукариот
    ЭтапыСущность1 ПретранскрипционныйАктивация гена2 ТранскрипцияСинтез незрелой про-иРНК на матрице ДНК. Про-иРНК содержит и экзоны, и интроны3 Процессинг-сплайсингСозревание иРНК: вырезание интронов и сшивание экзонов4 Транспорт иРНК через оболочку ядраСелективный отбор иРНК, в цитоплазму попадает только 5% зрелых иРНК5 ТрансляцияСинтез полипептида на матрице иРНК6 ПосттрансляционныйФормирование функционально активного белка
    При половом размножении определённые аллели (молекулярные формы) генов двух родительских половых клеток объединяются, образуя генотип нового организма. В ходе реализации наследственной информации генотипа формируются видовые и индивидуальные признаки организма (фенотип). Признаками на молекулярном уровне являются продукты генов – молекулы белков и РНК. Признаками на организменном уровне является любой показатель или свойство организма биохимического, физиологического или морфологического характера. Признаки формируются в онтогенезе в результате взаимодействия генов (их продуктов) со средой, в результате все признаки человека, в том числе и здоровье, примерно на 70% зависят от среды, а на 30% – от генотипа.
    Хромосомный уровень организации наследственного материала
    Хромосома является структурным элементом ядра клетки. Хромосомы в зависимости от периода и фазы клеточного цикла имеют разное строение: интерфазные и метафазные хромосомы – два полярных варианта их структурной организации (табл. 6).
    Таблица 6
    Сравнительная характеристика интерфазных и метафазных хромосом
    ПоказательИнтерфазная хромосомаМетафазная хромосомаКоличество молекул ДНК в составе одной хромосомыоднадвеКонденсированы или деконденсированыдекондесированы (деспирализованы)конденсированы (спирализованы)Функционально активны или неактивныактивнынеактивныСветовая микроскопияне выявляются, видны как вещество с мелкозернистой структуройвыявляются как дискретные структурынаследственный генный хромосомный
    Строение метафазных хромосом:
    Метафазная хромосома состоит из двух сестринских хроматид (двух молекул ДНК), соединенных в области центромеры (С). Центромера, или первичная перетяжка имеется во всех хромосомах, делит хромосому на плечи – короткое (р) и длинное (q). В зависимости от положения центромеры хромосомы могут быть равноплечими (метацентрическими), неравноплечими (субметацентрическими) и сильно неравноплечими (акроцентрическими). К центромере прикрепляются нити митотического веретена деления клетки. Вторичная перетяжка короткого плеча (ph) и длинного плеча (qh) имеется не во всех хромосомах. Спутник (s) – небольшой участок, отделяемый вторичной перетяжкой в коротком плече. Теломеры (t) – концевые участки хромосом, играют защитную роль.
    Каждый вид имеет характерный и постоянный для него хромосомный набор – кариотип. В соматических клетках человека содержится 46 хромосом (диплоидный набор, или 2n), в гаметах -23 хромосомы (гаплоидный набор, или n). Среди 46 хромосом: 44 аутосомы (неполовые хромосомы, одинаковые у мужчин и женщин) и 2 половые хромосомы (обозначают буквами Х и У). Кариотип мужчины 46, ХУ. Кариотип женщины 46, ХХ.
    В характеристику кариотипа входят совокупность данных о числе, размерах и особенности строения метафазных хромосом. С учётом относительной длины и положения центромеры аутосомы человека классифицированы на 7 групп (А, В, С, D, E, F, G); каждая пара хромосом имеет свой номер; половые хромосомы Х и У не имеют номера.
    Основным показания для исследования кариотипа у человека является подозрение на наличие у него какой-либо хромосомной болезни (причиной хромосомных болезней является нарушение числа или структуры хромосом), наличие у ребенка множественных врожденных пороков развития, многократные (более двух) спонтанные выкидыши, мертворождения, нарушение репродуктивной функции у женщин или мужчин, существенная задержка умственного и физического развития у ребенка, лейкозы, оценка воздействия мутагенов.
    Характеристика ядерного генома человека
    Геном – совокупность генов и других нуклеотидных последовательностей, находящихся в клетке. Другими словами – это вся ДНК, присутствующая в клетке. Гены – единицы наследственной информации, занимающие определенные положения в геноме и контролирующие выполнение определенных функций в организме. В составе гена как единицы считывания (транскрипционной единицы) могут присутствовать так называемые кодирующие и некодирующие последовательности. Первые у эукариот и архей называют экзонами. Вторые – интронами. Экзоны кодируют белки и некоторые виды РНК (рибосомальная, транспортная). Интроны разделяют экзоны.
    Их принято считать некодирующими участками геномной последовательности. Однако исследования последних лет показали, что в интронах заложена информация о строении микроРНК – небольных молекул РНК, обладающих регуляторными свойствами. Наряду с генами в геномах присутствуют псевдогены и фрагменты генов, повторяющиеся последовательности и так называемая «бессмысленная» ДНК. У разных организмов приведенные компоненты генома представлены в разной степени.

  11. INFINITY Ответить

    Уровни упаковки генетического материала.
    Молекулярная организация хромосом эукариот.
    Хромосомы эукариот – это спирализованный хроматин – комплекс ДНК и белков, где 40% приходится на ДНК, 40% – на гистоновые (основные) белки и почти 20% – на негистоновые белки и немного РНК.
    Гистоны –хромосомные белки с высоким содержанием аргинина и лизина. Их пять классов: H1, H2A, H2B, H3, H4. Гистоны стабилизируют структуру хромосомы и играют роль в регуляции активности генов.
    Негистоновые (кислые) белки. В хромосомах их количество приблизительно вдвое меньше гистоновых. Существует более 100 видов негистоновых белков. Они разнообразны по молекулярному весу, структуре, видоспецифичны. Эти белки могут быть ответственны за репликацию, репарацию, транскрипцию, возможно, играют роль и в активации генов. К ним относят актин, миозин, тубулин, ферменты синтеза РНК и ДНК?полимеразы и другие.
    Из пяти классов гистонов, четыре (Н2А, Н2В, Н3, Н4) образуют своеобразные шаровидные тельца – коры диаметром около 10 нм. В одну кору входит 8 молекул гистонов. Отрезок двуспиральной нити ДНК (около 140 нуклеотидных пар) образует вокруг нее почти два оборота. Кора, вместе с молекулой ДНК, образует уникальную повторяющуюся единицу организации наследственного материала эукариот – нуклеосому. Соседние нуклеосомы соединены друг с другом короткими линкерными отрезками ДНК (1?10 нм или 30-100 пар нуклеотидов), что формирует хроматиновую или нуклеосомную нить. К каждому такому отрезку присоединены молекулы гистона Н1. Допускается, что вследствие взаимодействия Н1 с нуклеосомами происходит конденсация хроматиновой нити (d=10 нм), что формирует хроматиновую спираль (d=25нм).
    Таким образом, уровни упаковки ДНК следующие:
    1) Нуклеосомная нить;
    2) Супернуклеосомный – хроматиновая спираль;
    3) Хромонемный – уложенная петлями и спирализованная хроматиновая спираль.
    4) Хромосомный – четвертая степень спирализации ДНК. На этом уровне уложенная петлями хроматиновая спираль спирализуется еще раз и формирует хроматиду, которая является структурным элементом хромосомы.
    В интерфазном ядре хромосомы деконденсированы и представлены хроматином. Деспирализованный участок называется эухроматином (разрыхленный, волокнистый хроматин). Это необходимое условие для транскрипции. Во время покоя между делениями определенные участки хромосом и целые хромосомы остаются компактными.
    Геном – совокупность всех генов гаплоидного набора хромосом данного вида организма. Геномный уровень организации наследственного материала имеет особенности у прокариот и эукариот.
    В геноме бактерий подавляющее большинство генов уникальны. Исключением являются гены, кодирующие р-РНК и и-РНК. Эти гены повторяются в геноме бактерий несколько раз. Следует отметить определенное несоответствие между числом пар нуклеотидов в геноме бактерий и числом генов в них. Так, ДНК кишечной палочки содержит 4,6 млн. пар нуклеотидов. Структурных генов у них около 1000, на которые приходится 1?1,5 млн. пар нуклеотидов. Остается предположить, что значительную часть в ДНК бактерий составляют участки, функции которых пока не ясны.

  12. Fegrel Ответить

    5.Посттранскрипционные процессы у прокариот включают:
    а) синтез полипептидной цепочки, б) вырезание интронов, в) сшивание экзонов, г) активацию аминокислот, д) модификацию концов мРНК; е)связывание с рибосомами
    6.Функциональная единица транскрипции прокариот включает:
    а) промотор, б) энхансер, в) структурный ген, г)оператор, д) терминатор
    7.В репликации эукариотпринимают участие ферменты:
    а) РНК-полимераза, б) Аминоацил-тРНКсинтетаза, в) ДНК-полимераза, г) Лигаза, д) Трансфераза, е)топоизомераза.
    8. Установите правильную последовательность: Биосинтез белка у эукариот: 1)трансляция, 2)транскрипция, 3)процессинг, 4)посттрасляция.
    4). Оформите в альбоме таблицу:
    Особенности организации наследственного материала у про– и эукариот
    Признаки
    Прокариоты
    Эукариоты
    Количество генов
    4 тыс. (E. coli )
    Около 30 тыс. (человек)
    Количество ДНК
    4 млн пар нуклеотидов
    3-7 млрд пар нуклеотидов
    Информативные
    последовательности ДНК
    (содержат гены):
    структурные гены
    промоторы
    терминаторы
    гены-регуляторы
    гены-интеграторы
    гены-модуляторы
    Более 80%
    Менее20%
    Имеют непрерывное строение
    Состоят из экзонов и интронов
    Служат для связывания с ферментом РНК-полимеразой
    Служат для прекращения синтеза РНК и освобождения ее от матрицы ДНК
    Регулируют работу других генов
    Координируют работу других генов
    Отсутствуют
    – Сайленсеры – тормозят транскрипцию;
    – энхансеры – усиливают транскрипцию
    Неинформативные последовательности ДНК:
    А) спейсеры
    Б) саттелитная (молчащая ДНК)
    Разделяют структурные гены
    Очень незначительна
    У человека – около 30%.
    Поддерживает индивидуальную структуру хромосом, участвует в формировании центромер и теломер; может содержать мобильные элементы
    Связь ДНК с гистонами
    Отсутствует
    Формирует нуклеосомы
    Укладка ДНК
    Кольцевая
    Линейная,
    имеет 4 уровня спирализации
    Литература:
    Основная:
    1.Биология (под ред. В.Н. Ярыгина). М., Высшая школа, в 2 т., 2008, т.1.
    2.Чебышев Н.В. Биология, М., 2005, глава 2, 3.
    3.Родина Н.Е., Косых А.А., Попова Н.Г. «Биология клетки».- Учебно-мет. пособие, КГМА, Киров, 2012.
    4.Лекции по биологии.
    Дополнительная:
    1.А.А. Слюсарев “Биология с общей генетикой”, 2011.
    Ответы на тестовые задания:1)аг, 2)в, 3)а; 4)бвд; 5)е; 6)авгд; 7)авге; 8)2,3,1,4.
    Методические указания подготовлены: доцентом кафедры, к.б.н. Родиной Н.Е., зав.кафедрой, проф. Косых А.А. ___________________________________________
    Методические указания утверждены на заседании кафедры № 10 от «02.04.2012» .
    Зав. кафедрой: ________________________
    Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
    «КИРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ»
    Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации
    Кафедра биологии
    Методические указания для студентов1 курса
    Специальности лечебное дело
    по самостоятельной внеаудиторной работе
    по дисциплине биология
    Составитель: Родина Н.Е., Косых А.А.

  13. Swordhammer Ответить

    Н.И.Вавилов изучая мутации у родственных видов, установил закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости. Этот закон позволяет предсказать наличие определенного признака у разных родов одного семейства, если его другие роды имеют данный признак
    Евге?ника («хорошего рода», «породистый») — учение о селекции применительно к человеку, а также о путях улучшения его наследственных свойств. Учение призвано бороться с явлениями вырождения в человеческом генофонде. Различают «позитивную» и «негативную» евгенику (хотя грань между ними условна).
    Цель позитивной евгеники — содействие воспроизводству людей с признаками, которые рассматриваются, как ценные для общества (отсутствие наследственных заболеваний, хорошее физическое развитие, иногда — высокий интеллект).
    Цель негативной евгеники — прекращение воспроизводства лиц, имеющих наследственные дефекты, либо тех, кого в данном обществе считают физически или умственно неполноценными.
    Евгеника была широко популярна в первые десятилетия XX века, но впоследствии стала ассоциироваться с нацистской Германией, отчего её репутация значительно пострадала. В послевоенный период евгеника попала в один ряд с нацистскими преступлениями, такими как расовая гигиена, эксперименты нацистов над людьми и уничтожение «нежелательных» социальных групп. Однако к концу XX века развитие генетики и репродуктивных технологий снова подняли вопрос о значении евгеники и её этическом и моральном статусе в современную эпоху.
    Раси?зм — совокупность воззрений, в основе которых лежат положения о физической и умственной неравноценности человеческих рас и о решающем влиянии расовых различий на историю и культуру. Расизм часто критикуется с культурологических позиций, например, критики обосновывают низкие результаты негроидных меньшинств по интеллектуальным тестам их социальным положением, условиями труда и быта.
    Социа?льный дарвини?зм (социа?л-дарвини?зм) — социологическая теория, согласно которой закономерности естественного отбора и борьбы за существование, выявленные Чарлзом Дарвином в природе, распространяются на отношения в человеческом обществе.
    По химической организации материала наследственности и изменчивости эукариотические и прокариотические клетки принципиально не отличаются друг от друга. Генетический материал у них представлен ДНК. Общим для них является и принцип записи генетической информации, а также генетический код. Одни и те же аминокислоты шифруются у про- и эукариот одинаковыми кодонами. Принципиально одинаковым образом у названных типов клеток осуществляется и использование наследственной информации, хранящейся в ДНК. Однако некоторые особенности организации наследственного материала, отличающие эукариотические клетки от прокариотических, обусловливают различия в использовании их генетической информации.
    Наследственный материал прокариотической клетки содержится главным образом в единственной кольцевой молекуле ДНК.
    Наследственный материал эукариот больше по объему, чем у прокариот. Он расположен в основном в хромосомах, которые отделены от цитоплазмы ядерной оболочкой.
    Значительные отличия имеются в молекулярной организации генов эукариотической клетки. В большинстве из них кодирующие последовательности экзоны прерываются интронными участками, которые не используются при синтезе тРНК, рРНК или пептидов. Эти участки удаляются из первично-транскрибируемой РНК, в связи с чем использование генетической информации в эукариотической клетке происходит несколько иначе. В прокариотической клетке, где наследственный материал и аппарат биосинтеза белка пространственно не разобщены, транскрипция и трансляция происходят почти одновременно. В эукариотической клетке эти два этапа не только пространственно отделены ядерной оболочкой, но и во времени их разделяют процессы созревания мРНК, из которой должны быть удалены неинформативные последовательности.

  14. РеаЛьныЙ ПарЕнь Ответить

    Морфология хромосом лучше всего видна в клетке на стадии метафазы. Хромосома состоит из двух палочкообразных телец – хроматид. Обе хроматиды каждой хромосомы идентичны друг другу по генному составу.
    Хромосомы дифференцированы по длине. Хромосомы имеют центромеру или первичную перетяжку, две теломеры и два плеча. На некоторых хромосомах выделяют вторичные перетяжки и спутники. Движение хромосомы определяет Центромера, которая имеет сложное строение.
    ДНК центромеры отличается характерной последовательностью нуклеотидов и специфическими белками. В зависимости от расположения центромеры различают акроцентрические, субметацентрические и метацентрические хромосомы.
    Как говорилось выше, некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки. Они, в отличие от первичной перетяжки (центромеры), не служат местом прикрепления нитей веретена и не играют никакой роли в движении хромосом. Некоторые вторичные перетяжки связаны с образованием ядрышек, в этом случае их называют ядрышковыми организаторами. В ядрышковых организаторах расположены гены, ответственные за синтез РНК. Функция других вторичных перетяжек еще не ясна.
    У некоторых акроцентрических хромосом есть спутники — участки, соединенные с остальной частью хромосомы тонкой нитью хроматина. Форма и размеры спутника постоянны для данной хромосомы. У человека спутники имеются у пяти пар хромосом.
    Концевые участки хромосом, богатые структурным гетерохроматином, называются теломерами. Теломеры препятствуют слипанию концов хромосом после редупликации и тем самым способствуют сохранению их целостности. Следовательно, теломеры ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований.
    Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, называют гомологичными. Они имеют одинаковое строение (длина, расположение центромеры и т. д.). Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.
    Исследование тонкой структуры хромосом показало, что они состоят из ДНК, белка и небольшого количества РНК. Молекула ДНК несет отрицательные заряды, распределенные по всей длине, а присоединенные к ней белки — гистоны заряжены положительно. Этот комплекс ДНК с белком называют хроматином. Хроматин может иметь разную степень конденсации. Конденсированный хроматин называют гетерохроматином, деконденсированный хроматин — эухроматином. Степень деконденсации хроматина отражает его функциональное состояние. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые, в которых локализована большая часть генов. Различают структурный гетерохроматин, количество, которого различается в разных хромосомах, но располагается он постоянно в околоцентромерных районах. Кроме структурного гетерохроматина существует факультативный гетерохроматин, который появляется в хромосоме при сверхспирализации эухроматических районов. Подтверждением существования этого явления в хромосомах человека служит факт генетической инактивации одной Х-хромосомы в соматических клетках женщины. Его суть заключается в том, что существует эволюционно сформировавшийся механизм инактивации второй дозы генов, локализованных в Х-хромосоме, вследствие чего, несмотря на разное число Х-хромосом в мужском и женском организмах, число функционирующих в них генов уравнено. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, тогда его можно обнаружить в виде плотных хромосом

  15. Bokus Ответить

    Геном – совокупность всех
    генов организма; его полный хромосомный набор.
    Термин «геном» был
    предложен Гансом Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов,
    заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида.
    Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие
    от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной
    особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось.
    Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у
    большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в
    себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК
    эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными»)
    последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о
    белках и РНК.
    Генетическая информация в
    клетках содержится не только в хромосомах ядра, но и во внехромосомных
    молекулах ДНК. У бактерий к таким ДНК относятся плазмиды и некоторые умеренные
    вирусы, в клетках эукариот – это ДНК митохондрий, хлоропластов и других
    органоидов клеток. Объёмы генетической информации, заключённой в клетках
    зародышевой линии (предшественники половых клеток и сами гаметы) и соматических
    клетках, в ряде случаев существенно различаются. В онтогенезе соматические
    клетки могут утрачивать часть генетической информации клеток зародышевой линии,
    амплифицировать группы последовательностей и (или) значительно перестраивать
    исходные гены.
    Следовательно, под
    геномом организма понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого
    из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке
    зародышевой линии многоклеточного организма. В определении генома отдельного
    биологического вида необходимо учитывать, во-первых, генетические различия,
    связанные с полом организма, поскольку мужские и женские половые хромосомы
    различаются. Во-вторых, из-за громадного числа аллельных вариантов генов и
    сопутствующих последовательностей, которые присутствуют в генофонде больших
    популяций, можно говорить лишь о некоем усреднённом геноме, который сам по себе
    может обладать существенными отличиями от геномов отдельных особей. Размеры
    геномов организмов разных видов значительно отличаются друг от друга, и при
    этом часто не наблюдается корреляции между уровнем эволюционной сложности
    биологического вида и размером его генома.
    Генотип – совокупность
    генов данного организма, которая, в отличие от понятий генома и генофонда,
    характеризует особь, а не вид (ещё отличием генотипа от генома является
    включение в понятие “геном” некодирующих последовательностей, не
    входящих в понятие “генотип”). Вместе с факторами внешней среды
    определяет фенотип организма.
    Обычно о генотипе говорят
    в контексте определенного гена, у полиплоидных особей он обозначает комбинацию
    аллелей данного гена (см. гомозигота, гетерозигота). Большинство генов
    проявляются в фенотипе организма, но фенотип и генотип различны по следующим
    показателям:
    1. По источнику
    информации (генотип определяется при изучении ДНК особи, фенотип регистрируется
    при наблюдении внешнего вида организма).
    2. Генотип не всегда
    соответствует одному и тому же фенотипу. Некоторые гены проявляются в фенотипе
    только в определённых условиях. С другой стороны, некоторые фенотипы, например,
    окраска шерсти животных, являются результатом взаимодействия нескольких генов.
    Примером различия
    генотипа и фенотипа служит наследование гемофилии. Иногда в семье, в которой
    оба родителя здоровы, рождается больной ребёнок. То есть хотя болезнь не
    проявилась в фенотипе родителей, в их генотипе присутствовал один нормальный
    аллель и один мутированный аллель гена, то есть они являлись носителями
    заболевания. В данном случае фенотип здоровых людей и носителей заболевания
    одинаков.
    Кариотип – совокупность
    признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая
    клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма
    (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также
    называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).
    2.
    Проявление
    свойств наследственного материала на геномном уровне, его организация
    Несмотря на дискретное
    генетическое определение отдельных признаков, в индивидуальном развитии
    воссоздается сбалансированный комплекс признаков и свойств, соответствующий
    типу морфофункциональной организации конкретного биологического вида.
    Закономерно возникают плазмодий малярийный, кедр ливанский, аскарида
    человеческая, слон индийский, человек разумный. Это достигается вследствие
    интеграции дискретных в структурном отношении единиц наследственности в целостную
    в функциональном плане систему – генотип (геном). Такая интеграция находит
    отражение в разнообразных взаимодействиях генов в процессе их функционирования.
    Обычно генотип определяют как совокупность всех генов (более точно аллелей)
    организма. С учетом факта интеграции генотип представляется системой
    определенным образом взаимодействующих генов.
    Генные взаимодействия
    происходят на нескольких уровнях: непосредственно в генетическом материале
    клеток, между и РНК и образующимися полипептидами в процессе биосинтеза белка, между
    белками-ферментами одного метаболического цикла.
    Взаимодействие генов на
    уровне продуктов функциональной активности (РНК или полипептидов) лежит в
    основе развития сложных признаков.
    Рассмотрим в качестве
    примера синдром Морриса. У больных, кариотип которых включает половые хромосомы
    Х и У, отмечается недоразвитие вторичных половых признаков мужского пола,
    которое зависит от продукции и взаимодействия на известной стадии онтогенеза
    двух факторов мужского полового гормона и белка-рецептора, встраивающегося в
    клеточную оболочку и делающего клетки чувствительными к гормону. Синтез
    указанных факторов контролируется разными генами. У лиц с синдромом Морриса
    мужской половой гормон образуется своевременно и в требуемом количестве, но не
    синтезируется белок-рецептор. Таким образом, нормальное развитие признака
    комплекса мужских вторичных половых признаков контролируется двумя генами,
    которые взаимодействуют на уровне продуктов их функциональной активности.
    В настоящее время для
    большинства признаков нельзя указать точно уровень взаимодействия тех генов,
    которые контролируют их развитие. Учитывая интерес практического врача прежде
    всего к закономерностям наследования признаков, ниже приводятся формы
    взаимодействия генов, которые изменяют наследование определенным образом. При
    этом уровень взаимодействия генов не оговаривается.
    Выделяют взаимодействие
    аллельных и неаллельных генов.
    Взаимодействие аллельных
    генов обусловливает доминантное, рецессивное, кодоминантное наследование
    признаков, явление неполного доминирования. При перечисленных формах
    доминирования результаты взаимодействия генов проявляются во всех соматических
    клетках организма.
    При такой форме
    взаимодействия как аллельное исключение в части клеток организма,
    гетерозиготного по данному локусу, активен один аллель, тогда как в других
    клетках другой. В качестве примера рассмотрим генетический контроль синтеза
    иммуноглобулинов – белков плазмы крови, которые обеспечивают в организме
    человека реакции иммунологической защиты. Они состоят из «тяжелых» и «легких»
    полипептидных цепей, которые, синтезируются под генетическим контролем трех
    разных групп неаллельных генов. И «тяжелые», и «легкие» полипептиды образуются
    плазматическими клетками. При этом отдельные плазматические клетки синтезируют
    лишь по одному из возможных вариантов «тяжелых» и «легких» полипептидов
    глобулинов. Аллельное исключение увеличивает разнообразие признаков
    многоклеточного организма при идентичности генотипов соматических клеток.
    Механизм этого явления окончательно не установлен.
    Другим примером
    аллельного исключения является генетическая инактивация одной из Х-хромосом
    женских особей. В мировой литературе описаны лишь единичные случай заболевания
    женщин гемофилией. Вместе с тем матери – гетерозиготные носители аллеля
    гемофилии – передают его половине своих дочерей, которые нормальный аллель
    получают с Х-хромосомой отца. Случайный характер инактивации путем
    гетерохроматизации приводит к выключению из функции в одних клетках
    материнской, а в других – отцовской Х-хромосомы. Таким образом, всегда остаются
    клетки, которые несут нормальный аллель синтеза антигемофилического фактора в
    активном состоянии.

  16. Kathrigar Ответить

    Содержание
    Введение
    1. Геном, генотип, кариотип
    2. Проявление свойств наследственного материала на геномном уровне, его организация
    3. Особенности организации наследственного материала про – и эукариотов
    4. Биологическое значение геномного уровня организации наследственного материала
    Заключение
    Список использованной литературы
    Введение
    Геном человека – это полная генетическая система, ответственная за происхождение, развитие, воспроизводство и наследование всех структурных и функциональных особенностей организма.
    Структурной и функциональной единицей генома является ген.
    Общее число генов человека или его генотип достигает 40 тыс. (предполагается до 70 тыс. генов).
    Стабильное состояние генотипа является основой геномного здоровья. Это здоровье базируется на нормальной организации и функционировании всего наследственного материала. Оно обеспечивается постоянством внутренней среды организма (гомеостаз) и ее независимостью от колебаний внешней среды.
    Следовательно, геномное здоровье – это стабильность функционирования генотипа и одновременно стабильность гомеостаза отдельных клеток и всего организма при совместимых с жизнью колебаниях внешней среды.
    Цел работы – изучить геномный уровень организации наследственного материала.
    Задачи:
    1. Раскрыть понятия: геном, генотип, кариотип
    2. Охарактеризовать проявление свойств наследственного материала на геномном уровне, его организацию
    3. Рассмотреть особенности организации наследственного материала про – и эукариотов
    4. Изучит биологическое значение геномного уровня организации наследственного материала
    1.
    Геном, генотип, кариотип
    Геном – совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.
    Термин «геном» был предложен Гансом Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и РНК.
    Генетическая информация в клетках содержится не только в хромосомах ядра, но и во внехромосомных молекулах ДНК. У бактерий к таким ДНК относятся плазмиды и некоторые умеренные вирусы, в клетках эукариот – это ДНК митохондрий, хлоропластов и других органоидов клеток. Объёмы генетической информации, заключённой в клетках зародышевой линии (предшественники половых клеток и сами гаметы) и соматических клетках, в ряде случаев существенно различаются. В онтогенезе соматические клетки могут утрачивать часть генетической информации клеток зародышевой линии, амплифицировать группы последовательностей и (или) значительно перестраивать исходные гены.
    Следовательно, под геномом организма понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма. В определении генома отдельного биологического вида необходимо учитывать, во-первых, генетические различия, связанные с полом организма, поскольку мужские и женские половые хромосомы различаются. Во-вторых, из-за громадного числа аллельных вариантов генов и сопутствующих последовательностей, которые присутствуют в генофонде больших популяций, можно говорить лишь о некоем усреднённом геноме, который сам по себе может обладать существенными отличиями от геномов отдельных особей. Размеры геномов организмов разных видов значительно отличаются друг от друга, и при этом часто не наблюдается корреляции между уровнем эволюционной сложности биологического вида и размером его генома.
    Генотип – совокупность генов данного организма, которая, в отличие от понятий генома и генофонда, характеризует особь, а не вид (ещё отличием генотипа от генома является включение в понятие “геном” некодирующих последовательностей, не входящих в понятие “генотип”). Вместе с факторами внешней среды определяет фенотип организма.
    Обычно о генотипе говорят в контексте определенного гена, у полиплоидных особей он обозначает комбинацию аллелей данного гена (см. гомозигота, гетерозигота). Большинство генов проявляются в фенотипе организма, но фенотип и генотип различны по следующим показателям:
    1. По источнику информации (генотип определяется при изучении ДНК особи, фенотип регистрируется при наблюдении внешнего вида организма).
    2. Генотип не всегда соответствует одному и тому же фенотипу. Некоторые гены проявляются в фенотипе только в определённых условиях. С другой стороны, некоторые фенотипы, например, окраска шерсти животных, являются результатом взаимодействия нескольких генов.
    Примером различия генотипа и фенотипа служит наследование гемофилии. Иногда в семье, в которой оба родителя здоровы, рождается больной ребёнок. То есть хотя болезнь не проявилась в фенотипе родителей, в их генотипе присутствовал один нормальный аллель и один мутированный аллель гена, то есть они являлись носителями заболевания. В данном случае фенотип здоровых людей и носителей заболевания одинаков.
    Кариотип – совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).
    2.
    Проявление свойств наследственного материала на геномном уровне, его организация
    Несмотря на дискретное генетическое определение отдельных признаков, в индивидуальном развитии воссоздается сбалансированный комплекс признаков и свойств, соответствующий типу морфофункциональной организации конкретного биологического вида. Закономерно возникают плазмодий малярийный, кедр ливанский, аскарида человеческая, слон индийский, человек разумный. Это достигается вследствие интеграции дискретных в структурном отношении единиц наследственности в целостную в функциональном плане систему – генотип (геном). Такая интеграция находит отражение в разнообразных взаимодействиях генов в процессе их функционирования. Обычно генотип определяют как совокупность всех генов (более точно аллелей) организма. С учетом факта интеграции генотип представляется системой определенным образом взаимодействующих генов.
    Генные взаимодействия происходят на нескольких уровнях: непосредственно в генетическом материале клеток, между и РНК и образующимися полипептидами в процессе биосинтеза белка, между белками-ферментами одного метаболического цикла.
    Взаимодействие генов на уровне продуктов функциональной активности (РНК или полипептидов) лежит в основе развития сложных признаков.
    Рассмотрим в качестве примера синдром Морриса. У больных, кариотип которых включает половые хромосомы Х и У, отмечается недоразвитие вторичных половых признаков мужского пола, которое зависит от продукции и взаимодействия на известной стадии онтогенеза двух факторов мужского полового гормона и белка-рецептора, встраивающегося в клеточную оболочку и делающего клетки чувствительными к гормону. Синтез указанных факторов контролируется разными генами. У лиц с синдромом Морриса мужской половой гормон образуется своевременно и в требуемом количестве, но не синтезируется белок-рецептор. Таким образом, нормальное развитие признака комплекса мужских вторичных половых признаков контролируется двумя генами, которые взаимодействуют на уровне продуктов их функциональной активности.
    В настоящее время для большинства признаков нельзя указать точно уровень взаимодействия тех генов, которые контролируют их развитие. Учитывая интерес практического врача прежде всего к закономерностям наследования признаков, ниже приводятся формы взаимодействия генов, которые изменяют наследование определенным образом. При этом уровень взаимодействия генов не оговаривается.
    Выделяют взаимодействие аллельных и неаллельных генов.
    Взаимодействие аллельных генов обусловливает доминантное, рецессивное, кодоминантное наследование признаков, явление неполного доминирования. При перечисленных формах доминирования результаты взаимодействия генов проявляются во всех соматических клетках организма.
    При такой форме взаимодействия как аллельное исключение в части клеток организма, гетерозиготного по данному локусу, активен один аллель, тогда как в других клетках другой. В качестве примера рассмотрим генетический контроль синтеза иммуноглобулинов – белков плазмы крови, которые обеспечивают в организме человека реакции иммунологической защиты. Они состоят из «тяжелых» и «легких» полипептидных цепей, которые, синтезируются под генетическим контролем трех разных групп неаллельных генов. И «тяжелые», и «легкие» полипептиды образуются плазматическими клетками. При этом отдельные плазматические клетки синтезируют лишь по одному из возможных вариантов «тяжелых» и «легких» полипептидов глобулинов. Аллельное исключение увеличивает разнообразие признаков многоклеточного организма при идентичности генотипов соматических клеток. Механизм этого явления окончательно не установлен.
    Другим примером аллельного исключения является генетическая инактивация одной из Х-хромосом женских особей. В мировой литературе описаны лишь единичные случай заболевания женщин гемофилией. Вместе с тем матери – гетерозиготные носители аллеля гемофилии – передают его половине своих дочерей, которые нормальный аллель получают с Х-хромосомой отца. Случайный характер инактивации путем гетерохроматизации приводит к выключению из функции в одних клетках материнской, а в других – отцовской Х-хромосомы. Таким образом, всегда остаются клетки, которые несут нормальный аллель синтеза антигемофилического фактора в активном состоянии.

  17. ты моя я твой Ответить

    1. Наследственность.
    2. Структурные уровни организации наследственного материала.
    3. Регуляция экспрессии генов.
    4. Ген – единица наследственности.
    Наследственность – свойство живых организмов, обеспечивающее материальную преемственность онтогенеза в определенных условиях внешней среды. Гены детерминируют последовательность полипептидной цепи.
    Наследование – передача информации от одного поколения к другому. Благодаря наследственности стало возможно существование популяций, видов и других групп.
    1953 год – расшифрована структура молекулы ДНК.
    Считается, что молекула ДНК составляет хромосому – унимолярная теория (некоторые исследователи предполагают, что несколько ДНК образуют 1 хромосому). Почти вся ДНК эукариот в ядре.
    У бактерий – 4000000 нуклеотидов.
    Из нескольких тысяч состоят минихромосомы (плазмиды). К плазмидам относят также ДНК хлоропластов, митохондрий. Хорошо изучены плазмиды бактерий.
    R-фактор – фактор устойчивости к лекарствам (сульфамидные препараты, антибиотики). В плазмидах есть информация о специфических активных ферментах. Генов должно быть очень много. Происходит амплификация (умножение генетического материала). Она может происходить путем прокатывания и образования плазмид.
    Плазмиды широко используются в генной инженерии. Они используются как носители чужеродной ДНК, поиски новых подходов к преодолению лекарственной устойчивости у бактерий.
    Ген – участок молекулы ДНК, который несет информацию о структуре полипептидной цепи или макромолекулы. Гены одной хромосомы располагаются линейно, образую группу сцепления. ДНК в хромосоме выполняет разные функции. Существуют разные последовательности генов, есть последовательности генов, контролирующих экспрессию генов, репликацию и др. Есть гены, содержащие информацию о структуре полипептидной цепи, в конечном счете – структурных белках. Такие последовательности нуклеотидов длинной в один ген, называются структурными генами. Гены, определяющие место, время, длительность включения структурных генов – регуляторные гены.
    Гены имеют маленький размер, хотя состоят из тысяч пар нуклеотидов. Наличие гена устанавливается по проявлению признака гена (конечному продукту). Общую схему строения генетического аппарата и его работы в 1961 году предложили Жакоб, Моно. Они предложил, что есть участок молекулы ДНК с группой структурных генов. К этой группе примыкает участок в 200пар нуклеотидов – промотор (участок примыкания ДНК зависимой РНК-полимеразы). К этому участку примыкает ген-оператор. Название всей системы – оперон. Регуляция осуществляется регуляторным геном. В итоге белок-репрессор взаимодействует с геном-оператором, и оперон начинает работать. Субстрат взаимодействует с геном регуляторами, оперон блокируется. Принцип обратной связи. Экспрессия оперона включается как единое целое.
    Для Менделя, ген – только символ, удобный для определения закона наследования. Связь между геном и признаком (продуктом) была открыта при изучении брожения в безвоздушной среде – 1902 г Гаррод. Он изучал родословные больных алкаптонурией, пришел к выводу, что болезнь – результат нарушения обмена азота, при этом. Вместо мочевины образуется темное вещество. При содействии Бэтса в 1908 году высказано предположение, что болезнь возникает у рецессивных гомозигот, у которых не хватает какой-то ферментативной реакции, что приводит к накоплению и выведению субстрата, который в норме должен был расщепиться. В крови людей содержится гомогентизиновая кислота, но в норме она расщепляется оксидазой гомогентизиновой кислоты до малеинацетата, затем до воды и углекислого газа. У больных нет оксидазы, поэтому происходит накопление кислоты и вывод ее с мочой.
    Так же наследуется альбинизм, хотя встречается гораздо чаще. При этом заболевании отсутствует фермент, осуществляющий превращение тирозина в меланин.
    До 1940 года мнение ученых разделялось, но теории не было.
    1940 год – Бидл и Татум предложили гипотезу: 1 ген – 1 фермент. Эта гипотеза сыграла важную роль – ученые стали рассматривать конечные продукты. Оказалось, что гипотеза имеет ограничения, т.к. все ферменты – белки, но не все белки – ферменты. Как правило, белки являются олигомерами – т.е. существуют в четвертичной структуре. Пример, капсула табачной мозаики имеет более 1200 полипептидов.
    У эукариот экспрессия генов не исследована. Причина – серьезные препятствия:
    -организация генетического материала в форме хромосом
    – у многоклеточных организмов клетки специализированы и поэтому часть генов выключена.
    – наличие гистоновых белков, в то время как у прокариот – «голая» ДНК.
    Гистоновые и негистоновые белки принимают участие в экспрессии генов, участвуют в создании структуры. Молекула ДНК имеет разные уровни компактизации.
    Участки с 8 гистоновыми белками, являющиеся пространственной структурой(150-200) пар нуклеотидов образуют глобулы диаметром10-11 нм. Во время интерфазы наблюдается нуклеосомный уровень, 8-10 нуклеосом объединяются и образуют сверхбусину. Метафазная хромонема скручивание в 10 тысяч раз. Гистоновые белки начинают продуцироваться в синтетическом периоде митоза. Срок существования (полусуществования) РНК гистоновых белков 13 минут синтез этих белков производится в ядре. Негистоновые белки синтезируются в цитоплазме, а затем переносятся в ядро. Гистоновые белки – факторы репрессии генов, негистоновые – наоборот способствуют считыванию информации. Взаимодействие гистоновых и неегистоновых белков – механизм блокирования и разблокирования молекулы ДНК.
    ДНК – макромолекула, она не может выходить в цитоплазму из ядра и передавать информацию. Синтез белка возможен благодаря м-РНК. В эукариотической клетке транскрипция происходит с огромной скоростью. Сначала возникает про-и-РНК или пре-и-РНК. Это объясняется тем, что у эукариот и-РНК образуется в результате процессинга (созревания). Ген имеет прерывистую структуру. Кодирующие участки – экзоны и некодирующие – интроны. Ген у эукариоических организмов имеет экзонно-интронную структуру. Длина интрона больше длины экзона. В процессе процессинга интроны «вырезаются» – сплайсинг. После образования зрелой и-РНК после взаимодействия с особым белком переходит в систему – информосому, которая несет информацию в цитоплазму. Сейчас экзоно-интронные системы хорошо изучены (например, онкоген – Р-53). Иногда интроны одного гена являются экзонами другого, тогда сплайсинг невозможен.

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *