Лісова генетика. Навчальний посібник. Г.Г. Баранецький, Р.М. Гречаник. 2003 р.
  • Регистрация
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса)

5.5. Структурні і функціональні гени

Український вчений С. М.Гершензон визначає ген як "ділянку молекули геномної нуклеїнової кислоти, яка характеризується специфічною для неї послідовністю нуклеотидів, є одиницею функції, яка відмінна від функції інших генів і здатної змінюватися шляхом мутацій. За схемою С. Бензера, генетичний матеріал ділиться на цистрони – одиниці функції, мутони – одиниці мутації і рекони – одиниці рекомбінації. Всі ці одиниці характеризуються різною кількістю пар нуклеотидів. Цистрон відповідає за синтез однієї поліпептидної нитки і може містити до 1000 нуклеотидів.

Гени діляться на дві категорії: структурні, які кодують будову певних білків (саме вони визначають будову рибосомальних РНК), і акцепторні, які служать місцями специфічного приєднання білків-репресорів або білків-активаторів. До акцепторних генів належать ген-оператор, ген-промотор, ген-термінатор, ген-регулятор.

Поняття "структурний ген" співпадає з поняттям "цистрон". Відомі два види структурних генів: унікальні і множинні повтори, які згруповані разом. Недавно відкритий третій вид генів з нестабільною локалізацією. Це так звані мобільні гени або транспозони. Транспозиції трапляються в еукаріот і прокаріот. Цей процес воно відносно добре вивчено у дріжджів, кукурудзи, дрозофіли, миші і полягає в тому, що невеликі ділянки ДНК можуть переміщатися з однієї хромосоми і влаштовуватися в іншій.

Транспозиція включає два процеси: ексцизію (вичленення ділянки ДНК з хромосоми) та інсерцію (вбудовування цієї ділянки в інше місце хромосоми). По всій імовірності, явище транспозиції відіграє велику роль в еволюції і онтогенетичному розвитку організмів. Не виключено, що мобільні гени, які регулюють активність інших генів, вносять найрізноманітніші зміни в клітину: зумовлюють індивідуальні відмінності організмів (специфічні білки, антитіла).

Реалізація генетичної інформації, яка закладена в послідовності нуклеотидів ДНК включає дві стадії. На першій – кожний ген служить матрицею для синтезу молекули РНК. На інформаційну РНК переписується послідовність нуклеотидів певного гена. Значить, в і-РНК закодована послідовність амінокислот. Процес переписування або транскрипції проходить в ядрі на одній з ниток ДНК. Початок транскрипції пов'язаний з приєднанням до певних послідовностей ДНК молекул ДНК залежної РНК-полімерази. Ці стартові точки на ДНК, до яких приєднується РНК-полімераза, назвали промоторами. У місці контакту з РНК-полімеразою виникає локальне розплітання двохниткової ДНК. Під час синтезу молекули РНК використовуються нуклеозидтрифосфати. На відміну від ДНК-полімерази, яка представляє собою один поліпептид, РНК-полімераза складна за будовою. Вона складається з п'яти поліпептидних ланцюгів складної конфігурації. По мірі руху РНК-полімерази вздовж по довжині гена молекула ДНК розплітається і транскрибується молекула РНК.

Транскрипти у вигляді молекул РНК списуються з обмежених районів ДНК, з генів або з фрагментів ДНК. До початку транскрипції молекула РНК-полімерази здійснює ряд помилок в пошуках свого промотора; зв'язується з промотором, ініціює синтез молекули РНК. Закінчення транскрипції вимагає зі сторони ДНК термінуючого сигналу. Кінці ряду транскриптів закінчуються п'ятьма або шістьма урациловими залишками. Це показує, що блоки Т-А, Т-А, Т-А,… в ДНК відповідають за сигнал про закінчення роботи РНК-полімерази.

Лише 64 триплети використовуються для позначення амінокислот. Яка ж функція решти трьох кодонів? Як виявилось, триплети УАГ, УАА і УГА є кодонами – термінаторами, на яких синтез білка зупиняється. Якщо такий кодон знаходиться в синтетичному полінуклеотиді, синтез білка відбувається лише до місця розташування такого кодона.

Як показав аналіз мутацій, роль цих кодонів in vitro відрізняється від ролі всієї решти кодонів. Точкову мутацію, яка веде до зміни триплета на кодон для іншої амінокислоти, називають місетмутацією. Вплив такої мутації на білок залежить від природи амінокислотної заміни.

Якщо в результаті мутації утворюється один із трьох кодонів – термінаторів, це призводить до передчасної термінації синтезу білка в тому місці, де розташований мутантний кодон. При цьому порушиться функція білка, тоді в мутантній клітині синтезується лише частина білкової молекули. Такі мутації називають нонсенс-мутаціями. (Інколи термін "нонсенс-кодон" використовують для позначення кодонів-термінаторів. "Нонсенс" (беззмістовний) – неправильна назва для цих кодонів, бо вони мають цілком визначений зміст, хоча і не для мутантного гена).

Ні для одного із кодонів-термінаторів не знайдено відповідної т-РНК. Це виключає можливість механізму термінації за участю спеціальної т-РНК, яка впізнає нонсенс-сигнал для припинення білкового синтезу. Замість цього існують сигнальні білкові фактори, які вступають в дію якраз в той момент, коли рибосома доходить до кодона термінатора. Таким чином, термінуючі кодони є знаками пунктації, механізм дії яких відрізняється від механізму дії кодонів, які детермінують амінокислоти.

Універсальність кодону (ігноруючи ці рідкісні винятки) свідчить про те, що він склався дуже рано в процесі еволюції. Згідно із деякими моделями, спочатку повинні були існувати деякі стереохімічні взаємовідносини між амінокислотами і їх кодонами. Далі, в міру розвитку білка синтезуючої системи, йшов відбір на збільшення ефективності і зменшення кількості помилок.

Можливо, спочатку код існував у примітивному вигляді, коли мале число кодонів визначало порівняно невелике число амінокислот, один кодон міг відповідати будь-якому члену однієї групи амінокислот. Більш точно значення кодонів і більше число амінокислот могли бути введені пізніше. Спочатку лише дві із трьох основ в кодоні могли були використані для впізнання, а роль третього положення визначилася пізніше. Цьому відповідає тип кодон-антикодонної взаємодії, який ми спостерігаємо в мітохондріях. Для коду, який використовується в мітохондріях, характерна повна виродженість третьої основи (порівнянно зі звичайною, частковою виродженістю), так що третя основа в мітохондріях не впливає на зміст кодона. Рамка зчитування, яка містить послідовну серію кодонів, відповідних до амінокислотної послідовності, називається відкритою.

До цих пір ми говорили про кодові значення, маючи на увазі відкриту рамку зчитування, яка починається із якоїсь фіксованої точки. Але в чому полягає стартовий сигнал? Так само, як нонсенс-кодони використовуються для термінації білкового синтезу другий набір кодонів служить для його запуску. Загальним сигналом ініціації є відповідний до метіоніну кодон АУГ в комбінації із передуючою йому послідовністю, необхідною для прикріплення рибосом до мРНК. У деяких випадках для ініціації використовується також кодон ГУЦ, який всупереч коду транслюється як метіонін, а не як валін. Таким чином, кодуюча область складається із кодона АУГ (або ГУГ), серії триплетів, що йдуть за ним, які складають відкриту рамку зчитування і закінчується термінуючими кодонами УАА, УАГ, УГА.

Рибосоми – це компактні рибонуклеїнові частини, побудовані із двох субчастин. Кожна субчастина, в свою чергу, побудована із декількох білків, зв'язаних із однією молекулою РНК. Молекули РНК, які входять до складу рибосом, називають рибосомними РНК, або скорочено р-РНК. При зменшенні концентрації іонів магнію рибосоми дисоціюють на субчастини.

В експерименті Е. Волкіна та Л. Астрахана вперше було показано, що проміжною матрицею у процесі біосинтезу білка є РНК.

У цьому досліді ДНК фага дозволяла проникнути в клітини бактерій, а через деякий час, коли синтез клітинної РНК припинявся, в середовище вводили ортофосфорну кислоту, помічену радіоактивним фосфором. Виявилось, що РНК, яка утворюється у вихідній клітині, за складом основ була подібна з фаговою ДНК, на якій вона, очевидно, і синтезувалася. ДНК фага мала комплементарність основ: А=Т і Г=Ц, а РНК, знову утворена в клітинах бактерій, була подібна з нею за складом основ і виявила таку саму комплементарність: А=У і Г=Ц.

Прямі докази того, що безпосередньо на ДНК білок не синтезується і проміжною матрицею у цьому процесі, без сумніву, слугує РНК, були одержані у дослідах з використанням радіоавтографії. Точними дослідами встановлена пряма залежність між вмістом у клітинах РНК і кількістю синтезованого ними білка. Клітини, багаті РНК, синтезують більше білка, ніж клітини, які мають понижений її вміст.

Сукупність великого числа фактів і спостережень призвела до формулювання основного генетичного постулату матричної теорії спадковості, який схематично, зазвичай, виражається так:

image001

Реплікація – процес самоподвоєння ДНК, у якому роль матриці відіграє сама молекула ДНК. Зігнута стрілка пояснює, що при реплікації молекули ДНК розмножуються шляхом самокопіювання. Транскрипція - перенесення (переписування) інформації про нуклеотидну будову ДНК на РНК. Стрілка вказує, що РНК утворюється на ДНК-матрицях. Трансляція - процес, у якому матрицею для біосинтезу білка служить РНК. Вона визначає послідовність амінокислот у всіх білках. Стрілка вказує, що відбувається трансляція або переведення інформації про нуклеотидну будову РНК на амінокислотну будову білка. Значить, ДНК, входячи до складу ядра клітини, завдяки властивості самоподвоєння молекул зберігає свою кількісну постійність при поділі клітини, визначає структуру і регулює синтез утворених у клітині білків. Але молекули ДНК не є безпосередньо матрицями у самому процесі синтезу білка. Спочатку відбувається перенесення генетичної інформації про нуклеотидну будову ДНК на РНК. Потім остання сама стає матрицею і відповідно до інформації, отриманої від ДНК, визначає послідовність з'єднання амінокислот у білковій молекулі.

Тепер, коли нам у загальних рисах відома пануюча у молекулярній генетиці теорія спадковості, розглянемо, як відбувається транскрипція генетичної інформації. Вона здійснюється шляхом синтезу і-РНК на ДНК-матриці. Назву інформаційної ця РНК отримала тому, що вона, проникаючи через пори ядерної оболонки, несе до цитоплазми (місця синтезу білка) інформацію про порядок чергування нуклеотидів у молекулі ДНК. Будується молекула і-РНК на одному з ланцюжків молекули ДНК-матриці під час її роздвоєння за участю спеціального фермента - РНК-полімерази. Спарювання нуклеотидів відбувається за принципом комплементарності: послідовність нуклеотидів у молекулі і-РНК визначається їхньою послідовністю у ланцюжку ДНК, при цьому гуанілова кислота з'єднується з цитидиловою, тимідилова – з аденіловою, а аденілова кислота ДНК не з тимідиловою, як це буває при реплікації ДНК, а з уридиловою кислотою. Одна молекула і-РНК, як правило, несе інформацію про будову одного поліпептидного ланцюга. Тільки-но закінчується побудова на ДНК-матриці ланцюга і-РНК, вона відразу ж переходить у цитоплазму і прикріплюється там до однієї з рибосом. Слідом за цим починається синтез білка.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить