Основные положения теории гена.
Схема генетической регуляции биосинтеза белка у прокариот и у эукариот.
Гены. Классификация гена. Свойства гена.
Ген – функциональная единица генетического аппарата организма. Представлена ДНК или, реже, РНК; информационная структура кодирующая: а) полипептид, б) РНК, в)т-РНК. Ген в этом понятии часто называют цистрон. Действие генов проявляется (реализуется) в фенотипе.
Химическое строение гена.
Ген – участок молекулы ДНК, состоящий из последовательности нуклеотидов, являющихся мономером ДНК, либо РНК. Нуклеотид – сложное органическое соединение, состоящее из: а) азотистых оснований пуринового (аденин, гуанин), б) пиримидинового (тимин, урацил, цитозин) ряда, б) остатков фосфорной кислоты. ОТКРЫТЬ УЧЕБНИК ШУМНОГО ЛИБО РУВИНСКОГО И ПОВТОРИТЬ СТРУКТУРУ ДНК И НУКЛЕОТИДОВ.
Структура гена.
Гены включают в себя такие единицы:
1. Мутоны – минимально одна пара нуклеотидов, способных мутировать.
2. Реконы – минимально две пары нуклеотидов, способных рекомбинировать (меняются местами между собой).
3. Цистрон (ген) – функциональное название гена. Содержат десятки сотен пар нуклеотидов, контролирующих синтез полипептидов.
Классификация генов по функциям:
I. Структурные. Они транскрибируются и определяют структуру:
1. и-РНК и следовательно структурных белков
2. и-РНК и следовательно белков-ферментов
3. р-РНК
4. т-РНК.
II. Функциональные. Выполняют регуляторные функции.
1. Влияют на активность структурных генов.
2. Подают сигнал начала и конца синтеза структурных генов.
3. Обозначают запуск или окончание процесса транскрипции.
К этим группам генов относятся промоторы, терминаторы, регуляторы и попираторы.
III. Гены, выполняющие функции модуляторов (они изменяют действие других генов, осуществляя тонкую регуляцию их активности):
1. Ингибиторы или супрессоры – гены подавители, подавляют активность других генов.
2. Интенсификаторы или усилители действия других генов.
3. Модификаторы, меняющие действие. Изменяют активность других генов в небольших пределах.
Свойства генов:
1. Способность контролировать определенные ферментативные реакции.
2. Свойство к мутированию.
3. Способность рекомбинировать.
4. Дискретность гена – наличие внутри гена более мелких дифференцированных структур.
5. Плейотропность – множественное действие гена, когда один ген отвечает за несколько признаков.
6. Дозированность гена – зависимость результата (количество белка, РНК, активность фермента) от дозы гена.
7. Пенетрантность – количественный показатель действия генов: частота фенотипического проявления гена в популяции (в процентах!).
8. Экспрессивность гена – свойство характеризует степень выраженности признака.
9. Проявление действия гена зависит от факторов внешней среды.
Предложили ее в 1961 году два французских автора Роберт Жакоб и Джордж Моно, за что в этом же году и получили Нобелевскую премию. И съема получила название «гипотеза оперона».
Структура оперона прокариот
1. Ген-промотор или промоторный участок – место первичного прикрепления фермента РНК-полимеразы.
2. Ген-оператор включает и выключает работу структурных генов. К нему присоединяются белки-эффекторы, которые называются репрессоры.
3. Структурные гены, располагающиеся единым блоком у прокариот они образуют центральное звено оперона.
4. Ген-регулятор находится изолированно на расстоянии от основной части оперона (но в одной хромосоме). Он кодирует синтез белка-репрессора, способного присоединяться к гену-оператору. Это присоединение определяет возможность или отсутствие процесса транскрипции. Когда ген-оператор связан с белком-репрессором, транскрипция не идет. Когда же он свободен от белка-репрессора, транскрипция идет. Т.е. РНК-полимераза может свободно двигаться вдоль оперона и осуществлять транскрипцию на структурных генах.
5. Белок-репрессор – активная молекула, способная связываться, либо с субстратами ферментативных реакций (эта форма белка-репрессора не позволяет ему связываться с опероном), либо с продуктами ферментативных реакций (эта форма, наоборот, позволяет ему связываться с опероном). Благодаря свойствам белка-репрессора происходит регуляция процесса транскрипции по механизму:
а) прямой активации (с субстратом) – индукция.
Б) с продуктом реакции – репрессинг, либо ингибирование.
В 1971-72 году Георгиев предложил схему функционирования оперона у эукариот.
Оперон эукариот состоит из двух зон:
I. Информативная. Образована структурными генами. Особенность этой зоны у эукариот:
1. Один структурный ген может повторяться в опероне многократно.
2. Структурные гены, ответственные за разные звенья одной цепи биохимической реакции могут находиться не в одной, а в разных частях генома. Т.е. быть рассеянными по всему геному. (хромосом много, части оперона могут быть в разных парах хромосом).
II. Неинформативная. Имеет две части:
1. Проксимальная или акцепторная. Представлена несколькими последовательно расположенными генами-промоторам, генами-операторами (NB: у эукариот каждому структурному гену соответствует свой собственный ген-промотор и ген-оператор).
2. Дистальная или регуляторная. Представлена генами-регуляторами, рассеянными в различных местах генома.
Особенности регуляции активности структурных генов у эукариот.
1. Подавление геном-регулятором активности структурных генов через белки-репрессоры.
2. Механизм группового подавления активности структурных генов в целой хромосоме или на большом ее протяжении белками-гистонами хромосом. НО взаимодействие генов в опероне эукариот изучены не полностью, т.к:
А) есть обособленное ядерной оболочкой ядро, в котором обособлен и ядерный аппарат клетки.
Б) сложное строение хромосом у эукариот.
В) высокая дифференцировка многих клеток и, следовательно, не весь геном в клетках реализуется в процессе их жизнедеятельности полностью.
Г) огромное влияние на регуляцию биосинтеза белка оказывают гормоны.
1. Ген занимает в хромосоме определенное место или локус.
2. Ген – он же цистрон – часть молекулы ДНК, имеющая определенную последовательность нуклеотидов, представляющую собой функциональную единицу наследственной информации. Число нуклеотидов, входящих в состав различных генов, неодинаково.
3. Внутри гена могут происходить мутации и к ним способны участки гена, которые называются мутоны. И рекомбинации, к которым способны части гена – реконы.
4. Существуют структурные и функциональные гены.
5. Структурные гены кодируют синтез белка, но не посредственного участия в сборке белковой цепи не принимают. ДНК служит только матрицей для молекулы иРНК.
6. Функциональные гены контролируют и направляют деятельность структурных генов.
7. Расположение триплетов нуклеотидов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном.
8. Молекулы ДНК, водящие в состав гена, способны к репарации (восстановлению) и поэтому не всякое повреждение гена (не все ошибки транскрипции) приводят к мутациям.
9. Генотип дискретен, т.е. состоит из отдельных генов, но функционирует как единое целое. На функционирование генов оказывают влияние факторы внутренней и внешней среды.
Генная инженерия -область молекулярной генетики, перед которой поставлена задача конструирования новых генетических структур по заранее намеченному плану. Методы генной инженерии начали разрабатываться в 60-70гг 20 века и включают три этапа:
1. Получение генетического материала.
2. Создание рекомбинантных фрагментов ДНК и включение полученных генов ДНК.
3. Введение рекомбинантной ДНК в генотип клетки-реципиента с помощью фагов и плазмид.
Разработаны:
1. Принципы экспериментального переноса генов из одного генома в другой – трансгенез.
2. Способы получения генов: химический в 1970индийским генетиком Кораной, когда он впервые получил структурный ген химсинтезом; ферментативный – на основе принципов обратной транскрипции (иРНК => ДНК => иРНК=>белок). Так впервые были синтезированы белки глобинов и белки митохондрий.
В настоящее время достижения используются в реконструировании микроорганизмов для получения антибиотиков, витаминов, антител, иммуномодуляторов, гормонов пептидной природы, кормовых продуктов, пищевых продуктов (ГМО).
ОПЕРОН – единица считывания генетической информации, представляющая собой совокупность расположенных в линейной последовательности структурных генов и гена или генов-операторов. (прокариоты\эукариоты) Оперон содержит:
1. Промотор (прокариоты – участок, эукариоты – нет) определяет начало транскрипции.
2. Оператор - регуляторный ген, предназначенный для связывания белка-репрессора.
3. Терминатор – (прокариоты – участок, ген у эукариот) в конце оперона сигнал прекращения транскрипции. Это все регуляторные элементы проксимальной зоны.
4. Гены-регуляторы – определяющие синтез белков-репрессоров (конфигурация которых зависит от субстратов и продуктов реакции), способных связываться с оперонов. Дистальный участок неинформативной зоны.
Структурные гены – информативный участок.