Бесплатный учебный файл

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕН НЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Кафедра ЭТТ РЕФЕРАТ На тему: «Основные понятия о молекулярной биохимической генетике» МИНСК, 2008 Материальными носителями наследственной информации от поколения к поколению у человека, как и у большинства орга низмов, являются хр омосомы клеточных ядер. Каждый биологический вид характеризуется определенным числом и стро ением хромосом, в совокупности составляющих хромосомный набор, или кари отип. Для соматических клеток человека характерно наличие в кариотипе 46 хромосом, составляющих 23 пары. Кариотипы будущего организма определяютс я в процессе оплодотворения яйцеклетки, когда при слиянии женского и муж ского пронуклеусов их хромосомные наборы (из 23 хромосом) объединяются в о дин двойной, диплоидный набор, из 46. Каждой хромосоме одинарного, гаплоид ного набора яйцеклетки соответствует гомологичная ей хромосома гапло идного набора сперматозоида. Это правило распространяется на 22 из 23 хромо сом – эти хромосомы- аутосомы. 23 хромосома во всех яйцеклетках одинакова – это так называемая Х-хромосома. Сперматозоиды различаются по 23 хромос оме: половина содержит Х- , а половина У- хромосомы. При оплодотворении яйц еклетки сперматозоидом формируется набор из 46 хромосом с двумя Х-хромос омами, такая оплодотворенная яйцеклетка (зигота) дает начало женскому ор ганизму. При оплодотворении яйцеклетки У- сперматозоидом формируется к ариотип ХУ, такая зигота дает начало мужскому организму. Независимо от пола, рост и развитие эмбриона, плода, ребенка происходит п утем митозов – митотических делений клеток. Имеются две особенности ми тотического размножения клеток: период между двумя митозами – интерфа за. В ней происходит удвоение хромосом диплоидного набора. На каждой хро мосоме строится ее точная копия. На следующем этапе такой набор распреде ляется строго поровну между двумя дочерними ядрами, каждое из которых по лучает, таким образом, полный диплоидный набор, в котором представлены к опии всех хромосом, полученных как от яйцеклетки, так и от сперматозоида. При делениях созревания половых клеток на смену митозу приходит мейоз. Это сложный процесс. В мейозе происходит 2 генетически важных события – рекомбинации, т.е. перегруппировки хромосомного материала. В результате этого в числе 23 хромосом, оказавшихся в одном дочернем ядре будут различн ые сочетания хромосом материнского и отцовского происхождения. Число т аких сочетаний 2 23 , или около 10 млн. ва риантов. Это обеспечивает широчайший спектр наследственной изменчивос ти и генетическую неповторимость индивидов. Другой процесс генетическ ой рекомбинации – кроссинговер – обмен участками между гомологичным и хромосомами. Частота кроссинговера пропорциональна расстоянию между генами на хромосоме, причем каждый ген в норме имеет на ней вполне опреде ленное место – локус. Количество генов на каждой из хромосом исчисляется многими тысячами. Об щее число генов у человека составляет несколько десятков или даже сотен тысяч. Каждый ген представляет собой отрезок гиганского полимера ДНК, ос новного носителя наследственной информации и главного структурного к омпонента хромосом. В 60-х годах 19 века из ядер клеток было выделено вещество, которое было назва но нуклеиновой кислотой. В 40 годах 20 столетия установлено, что нуклеинова я кислота ДНК, ответственна за передачу наследственной информации. В 1953 г оду Уотсон и Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК. В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот – РНК и ДНК. Биологическая функция нуклеиновых кислот заключается в хранении, р епликации, рекомбинации и передаче генетической информации. Именно нук леиновые кислоты определяют вид, форму, состав живой клетки и ее функции . Все нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения. И РНК и ДНК с остоят из мономерных единиц – нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: неорганический фосфат, моносахарид и о статок пурина или пиримидина, называемый азотистым основанием. Эти сост авные части соединены друг с другом в следующем порядке: фосфат-остаток моносахарида-азотистое основание. Моносахариды – важная составная часть РНК вЂ“ рибоза и ДНК вЂ“ дезоксирибоза. Эти углеводы являются пентоз ами. Азотистые основания – это: -Пурины: аденин и гуанин -Пиримидины: цитозин, тимин, урацил. Благодаря своей гетероциклической ароматической природе пурины и пири мидины поглощают электромагнитную энергию в УФ диапазоне, максимум пог лощения 260 нм. На этом свойстве основаны лабораторные методы обнаружения и количественного определения нуклеиновых кислот. Фосфатная группа в с оставе органической биомолекулы обычно входит как компонент. Структура нуклеозидов : фрагмент н уклеотида, представляющий собой азотистое основание с присоединенным к нему углеводным остатком, называют нуклеозидом. Для наиболее распространенных рибонуклеозидов приняты тривиальные на звания: аденозин, гуанозин, уридин и цитозин. Обычно встречающиеся в ДНК д езоксирибонуклеозиды называются дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, де зоксицитидин и тимидин. Нуклеотид представляет собой нук леозид с присоединенной эфирной связью к углеводному остатку фосфатно й группой. В зависимости от строения пентозы все нуклеотиды делят на риб онуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды. В зависимости от числа имеющихся остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты, нуклеозид дифосфаты и нуклеозидтрифосфаты. Таким образом, семейство аденозина вк лючает АМФ, АДФ и АТФ. Циклические нуклеотиды. Аденозин – 3-5-цикломонофосфат - широко распространен. Адреналин активир ует фермент, ответственный за синтез ц-АМФ, который контролирует активно сть других ферментов. Известны еще 2 циклических нуклеотида: циклический гуанозинмонофосфат и циклический цитозинмонофосфат. Именно последовательность азотистых оснований вдоль сахарофосфатной цепи определяет уникальную структуру и функциональную индивидуальнос ть молекул ДНК и РНК. Термин нуклеотидная последовательность и последов ательность азотистых оснований взаимозаменяемы. Наиболее важна следующая функция нуклеозидтрифосфатов: во всех живых к летках АТФ выступает в качестве депо для хранения и переноса химической энергии (разумеется на молекулярном уровне). Процесс превращения АТФ в А ДФ или АМФ составляет молекулярную основу переноса химической энергии внутри всех живых клеток. Нук леиновые кислоты (структура полинуклеотидов) Полипептиды состоят из АК, соединенных пептидными свя зями. Полинуклеотиды состоят из нуклеотидов, соединенных фосфоэфирным и связями. И РНК и ДНК можно выделить из клеток, субклеточных фракций. Для разделения смеси РНК и ДНК на компоненты используются различные методы: ионообменная, адсорбционная гель-проникающая и аффинная хроматография , а также электрофорез в полиакриламидном геле. Каждая РНК и ДНК имеет определенный нуклеотидный состав, но он не являет ся уникальной характеристикой структуры. Уникальность определяется по следовательностью оснований. Для нуклеотидного состава ДНК известны важные общие закономерности, из вестные как правила Чаргаффа: 1.Число пуриновых оснований (А+ G ), равно числу пиримидиновых оснований (Т+С). т.е. соотношение пури нов и пиримидинов равно единице). 2.Число остатков аденина равно числу остатков тимина, т.е. отношение адени на к тимину равно 1. 3. Число остатков гуанина равно числу остатков цитозина, т.е.отношение гуа нина к цитозину равно единице. Нуклеазы, ферменты, катализирующие гидролиз нуклеиновых кислот. Эндону клеазы расщепляют внутрицепочечные диэфирные связи, а экзонуклеазы де йствуют на концевые диэфирные связи. Известно, что живые клетки содержат 3 типа РНК, выполняющие определенные функции. РНК бывает – 1) информационной - мРНК, 2) транспортной-тРНК и 3) рибос омной-рРНК. Эукариотические клетки содержат и другие типы РНК, функции которых еще н е установлены. Некоторые из них обнаружены в ядре, другие в цитоплазме. Что касается основных типов РНК с известными функциями, то каждая из них выполняет специфическую роль в сложном процессе биосинтеза белка, при к отором последовательность АК определяется нуклеотидной последовател ьностью ДНК. В ходе процесса, называемого транскрипцией нуклеотидная последователь ность гена в ДНК копируется в молекулу РНК. Транскрипты генов рРНК испол ьзуются в синтезе рибосом, нуклеотидные последовательности транскрипт ов мРНК представляют собой инструкции для синтеза полипептидов на пове рхности рибосом, а транскипты ионов тРНК соединяются с АК, которые затем переносят в рибосомный синтезирующий центр в порядке, указанном в мРНК ( трансляция). Информационные РНК представляют собой одноцепочечные молекулы разной длины. Вероятнее всего молекула мРНК вЂ“ это просто незамкнутая цепочка. Характерная особенность любой мРНК заключена в уникальной последовате льности нуклеотидов, содержащих азотистые основания. Каждый последова тельно присоединенный набор из трех нуклеотидов (кодон) обеспечивает ин формацию для последовательного присоединения АК при биосинтезе полипе птида. Например, ИИИ обеспечивает присоединение фенилаланина, АИА – изолейци на, ГАИ вЂ“ аспарагиновой кислоты.Следующий тип РНК вЂ“ транспортные. Кажд ая клетка содержит несколько различных видов молекул тРНК, до 60. Что же собой представляет матричная РНК? Начало белкового синтеза в инта ктных клетках иногда совпадает во времени с увеличением количества или скорости обновления цитоплазматической РНК. Анализируя этот факт, возн икла гипотеза о матричной или информационной РНК. Это быстро меняющаяся РНК, образующаяся во время или перед началом белкового синтеза. Она функ ционирует в качестве посредника, переносящего генетическую информаци ю от хромосомной ДНК на поверхность рибосом. Молекула матричной РНК соде ржит полную генетическую информацию, необходимую для специфического с интеза одной или нескольких полипептидных цепей. Эта молекула связывае тся с рибосомами и служит рабочей матрицей при белковом синтезе. Синтез матричной РНК вЂ“ транскрипция. Необходим фермент РНК-полимераза, эта реа кция требует наличия ионов магния и при этом высвобождается пирофосфат. РНК-полимераза наиболее активна если в качестве матрицы используется д вухцепочечная ДНК. Если же в системе используется одноцепочечная или де натурированная ДНК, то активность фермента ниже. Синтез РНК, катализируемый ДНК-зависимой РНК-полимеразой специфически ингибируется актиномицином Д, который связывается с ДНК. Где же синтезируется белок? В рибосомах. Рибосомы – мультимолекулярные агрегаты, состоящие из белков и РНК (рибосомной РНК). Интактная рибосома п редставляет собой комплекс из двух субъединиц. Интактный комплекс може т диссоциировать на субъединицы и далее с образованием рРНК и ряда белк ов. Рассмотрим рибосомы как место синтеза белка. Для выяснения функций рибо сом проведены эксперименты. После введения радиоактивных АК животным, п роведен забор печени, ее гомогенизирование и фракционированние методо м дифференциального центрифугирования,. Далее сделан анализ и установл ено, что белки синтезируются первоначально во внутриклеточных структу рах, образующих микросомную фракцию. В ходе дальнейших исследований риб осомы отделяли от эндоплазматической сети обработкой нейтральными рас творами желчных кислот. Очищенные таким путем рибосомы включают АК в син тезируемые белки при инкубации с АТФ и ионами магния. Молекулы транспортной РНК (растворимой РНК) самые маленькие из всех нук леиновых кислот. Каждая транспортная РНК присоединяется к определенно й АК, чтение кодонов мРНК достигается тем, что в каждой тРНК уникальная тр инуклеотидная последовательность – антикодон, последовательность ко торого комплементарна последовательности кодона. Рибосомы состоят из двух субъединиц, в состав которых входят рибосомная РНК и белок. Известно, что некоторые рибосомные белки выполняют каталити ческие функции. Функция рибосомной РНК до сих пор неясна. Вероятно, она и б елки участвуют в конформационных изменениях, сопровождающих биосинтез белка, когда новая полипептидная цепь и мРНК перемещаются на рибосоме. Р ибосомы должны связывать во-первых, матрицу (мРНК), во-вторых, строящуюся п олипептидную цепь и в третьих , вновь поступающие молекулы аминоацил- тР НК. Что такое полирибосомы? Если рибосомы выделяют в условиях, когда они н е подвергаются действию рибонуклеаз или механическим воздействиям, то их получают в виде скопления рибосом. Такие скопления – полирибосомы. (п олисомы) Поскольку полисомы можно расчленить на рибосомы, то ясно, что по следние удерживаются вместе при помощи цепи РНК. Поскольку число рибосо м в полисоме пропорционально числу АК остатков в синтезируемых полипеп тидных цепях, был сделан вывод, что цепь РНК, соединяющая рибосомы – это м РНК, которая считывается одновременно несколькими рибосомами, располо женными на некотором расстоянии одна от другой. Каждая отдельная рибосо ма в полисоме способна синтезировать полную полипептидную цепь и не нуж дается в присутствии других рибосом. Белковый синтез Схема ДНК вЂ“ РНК вЂ“ белок, 1 часть (ДНК вЂ“ РНК) транскрипц ия, т.е. биосинтез молекул РНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна какому-либо участку (гену) молекулы двухцепочечной ДНК. 2 часть (РНК- белок) - это трансляция, биосинтез полипептидных цепей. Процес с трансляции включает активацию и отбор АК, инициацию синтеза полипепти дной цепи (узнавание), элонгацию полипептидной цепи (наращивание) и терми нацию синтеза полипептидной цепи (окончание) Таким образом, синтез полипептидных цепей протекает в несколько стадий . 1. Активация АК. 2. Инициация полипептидной цепи. 3.Элонгация.4. Терминаци я. 1.Первая стадия белкового синтеза, называющаяся стадией активации, кото рая протекает в растворимой части цитоплазмы. 2. На второй стадии образуется инициирующий комплекс. 3. На третьей стадии белкового синтеза пептидная цепь удлиняется (элонга ция) путем последовательного присоединения новых аминоацильных остатк ов. 4.На последней стадии синтез полипептидной цепи заканчивается (терминац ия). Сигналами терминации служат определенные участки мРНК, когда при тр анслокации до них доходжит очередь, синтез останавливается и готовая це пь отделяется от рибосомы. Таким образом, синтез белка у эукариотов протекает на рибосомах, связанн ых с эндоплазматической сетью. Синтез белка может осуществляться также и в митохондриях, содержащих специфическую кольцевую ДНК, специфически е митохондриальные формы мРНК и активирующие ферменты, а также рибосомы , сходные с рибосомами бактерий. Вся программа химических процессов в организме записана в ДНК, молекуля рном хранилище генетической информации. Расшифрована нуклеотидная пос ледовательность ДНК и РНК, т.е. первичная структура. В 1953 году Уотсон и Крик предположили, что молекула ДНК состоит из двух правозакрученных спирал ьных полинуклеотидных цепей, переплетенных друг с другом и противополо жно направленных. Следовательно, ДНК обладает первичной структурой – н уклеотидной последовательностью. Вторичной структурой – это 2 правоза крученные спиральные полинуклеотидные цепи, переплетенные друг с друг ом и противоположно направленные. Двухцепочечную структуру стабилизир уют водородные связи, электростатические взаимодействия. При различны х химических и физических воздействиях двухцепочечная ДНК может быть р аскручена. Данное открытие сыграло решающую роль для биологической науки 20 столети я. Предположение о взаимодействии между азотистыми основаниями, помещенн ыми друг напротив друга, полностью соответствует правилу Чаргаффа. Пури н всегда связан водородными связями с пиримидином (1:1). Аденин всегда связ ан с тимином (А=Т), а гуанин всегда связан водородными связями с цитозином ( Г=Ц). Пары А=Т и Г=Ц называются комплементарными парами оснований. Более то го последовательность одной из цепей полностью комплементарна последо вательности второй. Противоположная полярность двух цепей в дуплексе о беспечивает пространственную ориентацию азотистых оснований. Двухцепочечную структуру ДНК стабилизируют: водородные связи между па рами оснований, электростатические взаимодействия с неорганическими п ротивоионами, гидрофобные взаимодействия в плотно упакованных азотист ых основаниях При различных химических или физических воздействиях двухцепочечная Д НК может быть раскручена. Самый простой способ – нагревание. Повышение оптической плотности при 260 нм при нагревании известно как гиперхромный эффект. Рассмотрим ДНК с точки зрения ее способности хранить информацию. Четкие аргументы в пользу генетической функции ДНК были получены следу ющими способами. Установлено, что количество ДНК в любой клетке и органи зме строго постоянно и не зависит от условий внешней среды. От питания ил и от воздействия различных факторов, влияющих на метаболизм клетки, эта особенность ДНК вполне соответствует предполагаемым свойствам генети ческого материала. Содержание ДНК в клетке увеличивается с возрастание м сложности клетки и, следовательно, с возрастанием количества генетиче ской информации в клетке. Одним из наиболее веских аргументов в пользу генетической функции ДНК с лужат данные о том, что препараты ДНК, выделенные из различных тканей одн ого и того же организма, имеют одинаковый нуклеотидный состав. У различн ых видов он отличен. Таким образом, нуклеотидный состав ДНК у организма д анного вида не зависит от возраста организма, условий питания и внешней среды. ДНК близких видов имеют сходный нуклеотидный состав, а эволюционн о отдаленные организмы заметно отличаются один от другого по своему нук леотидному составу. Число пиримидиновых остатков равно числу пуриновых остатков. Согласно модели Уотсона и Крика молекула ДНК состоит из двух правозакру ченных полинуклеотидных цепей, имеющих общую ось. Две полинуклеотидные цепи в двойной спирали ДНК отличаются одна от другой как последовательн остью оснований, так и нуклеотидным составом. Цепи комплементарны друг д ругу. Модель Уотсона и Крика объясняет, что репликация ДНК в клетке проис ходит в результате разделения двух цепей и последующего синтеза двух но вых.. Клетки эукариотов содержат в ядре несколько или много хромосом (в зависи мости от вида организма) причем в каждой хромосоме содержится одна или н есколько молекул ДНК. В митохондриях эукариотических клеток содержитс я небольшое количество ДНК, эта ДНК отличается от ядерной. Митохондриаль ная ДНК вЂ“ двухцепочечная, обычно кольцевая. Денатурация двухцепочечной спирали ДНК происходит: При экстремальных значениях рН, при нагревании, приуменьшении электрич еской постоянной водной среды, при обработке амидами карбоновых кислот, мочевиной. В процессе денатурации все ковалентные связи в ДНК сохраняют ся. Таким образом, можно сделать вывод, что ДНК представляет собой генети ческий материал хромосом. Как же происходит репликация ДНК? Каковы ее ферментативные механизмы? Пр и участии фермента ДНК полимеразы катализируется система синтеза. Эта р еакция протекает только в присутствии некоторого количества преобразо ванной ДНК. В ее отсутствие фермент неспособен синтезировать полимер. Преобразованная ДНК также служит и матрицей на которой фермент строит п араллельную цепь ДНК, комплементарную преобразованной ДНК по составу и последовательности оснований. Что такое репарация ДНК? Имеются данные, что есть ферменты, способные ликвидировать разрывы, возн икающие в ДНК под влиянием случайных воздействий. Такие разрывы, вероятн о, реплицируются ферментом ДНК-лигазой. Также имеются данные, что реплик ация ДНК, чуждых данной клетке, предотвращается вследствие разрушения э ндогенными нуклеазами. Цикл элонгации протекает в 3 этапа: Вновь поступающая аминоацил тРНК связывается с аминоацильным участком полного рибосомного комплекса, расположенного возле следующего по пор ядку кодона мРНК. Для этого процесса связывания требуется ГТФ и специфический цитоплазм атический белок (фактор Т). В результате взаимодействия аминогруппы аминоацил тРНК образуется пеп тидная связь. Освобождающаяся транспортная РНК остается связанной в пе птидильном участке. Для этого требуется фермент пептидилтрансфераза, к оторый является частью субъединицы рибосомы. На 3 этапе цикла элонгации пептидил тРНК физически перемещается с аминоа цильного участка на пептидильный, вытесняя из него “пустую” тРНК. На это й стадии необходим специфический белок – фактор G . При каждом акте транслокации пепти дил тРНК с рибосомой связывается новый комплекс фактора G с ГТФ. Одновременно с транслокацией пептидил тРНК происходит и транслокация мРНК вдоль рибосомы на один кол дон. Завершение синтеза полипептидной цепи и ее отделение от рибосомы проис ходит путем, отдельные этапы которого еще не изучены. Сигнал об окончани и синтеза полипептидной цепи подается 3 специальными терминирующими ко донами в мРНК. Отделение полипептидил тРНК от рибосомы по достижении тер минирующего кодона осуществляется при помощи специфического фактора о свобождения (фактора R ), кото рый связан с рибосомой и облегчает гидролиз сложноэфирной связи между п олипептидом и тРНК. Затем рибосома сходит с мРНК и после диссоциации на с убъединицы может включаться в новый цикл. Регуляция синтеза белк а Основным условием существования любых живых организ мов является наличие тонкой, гибкой, согласованно действующей системы р егулирования, в которой все элементы тесно связаны друг с другом. В белко вом синтезе не только количественный и качественный состав белков, но и время синтеза имеет прямое отношение к многим проявлениям жизни. Клетки живых организмов обладают способностью синтезировать огромное количество разнообразных белков, однако они никогда не синтезируют все белки. Количество и разнообразие определяется долей их участия в метабо лизме. Синтез белка контролируется аллостерически. Регулируется внешн ими и внутренними условиями. Жакоб и Мано сформулировали гипотезу, связывающую функционирование ст руктурных и регуляторных генов. Эта гипотеза позволяет объяснить как ин дукцию, так и репрессию ферментов на основе одного механизма.Согласно эт ой гипотезе репрессия ферментов – основной процесс, тогда как индукция – снятие репресии. Согласно теории Жакоба и Мано в биосинтезе белка участвуют 3 типа генов: с труктурные гены, ген-регулятор и ген-оператор. Структурные гены определяют первичную структуру синтезируемого белка . Именно эти гены в цепи ДНК служат основной матрицей для биосинтеза мРНК, которая затем поступает в рибосому. Синтез мРНК на структурных генах мо лекулы ДНК контролируется определенным участком, называемым операторо м. Он служит как бы пусковым механизмом для функционирования структурны х генов. Структурный ген кодирует аминокислотную последовательность данного ф ермента, синтез этого фермента происходит только в том случае, если регу ляторный ген не репрессирует его, т.е. этот ген неактивен. Для объяснения р епрес c ии было постулирован о, что регуляторный ген кодирует аминокислотную последовательность сп ецифического белка, названного репрессором. Молекула репрессора диффу ндирует от рибосом, где она синтезируется и образует специфический комп лекс с участием ДНК, соответствующим структурному гену того фермента, ко торый контролируется репрессором. Согласно гипотезе, молекула репресс ора содержит центр связывания, специфичный для участка ДНК. Молекула реп рессора обычно находится в свободном (активном “ состоянии, в котором он а связывается с оператором, подавляя транскрипцию структурного гена. Ес ли же в клетке присутствует индуктор, то образуется неактивный комплекс репрессор-индуктор, который неспособен связываться со специфическим у частком ДНК (оператором) и на способен ингибировать транскрипцию структ урного гена. В результате начинается транскрипция структурного гена и п роисходит синтез фермента. Согласно гипотезе взаимодействие между реп рессором и индуктором обратимо. Таким образом, молекула репрессора долж на иметь 2 специфических центра связывания: один для индуктора и другой д ля оператора. Центр связывания с оператором активен только в том случае, если центр связывания с индуктором свободен. Для объяснения репресии бы ло постулировано, что в таких системах молекула репрессора в свободном с остоянии неактивна и становится активной после связывания с репрессир ующим метаболитом, получившим название корепрессора. Комплекс репресс ор-корепрессор связывается с операторным локусом соответственного ген а и, таким образом, подавляет синтез матричной РНК. Итак гипотеза Жакоба и Мано постулирует существование двух классов бел ковых репрессоров: один из них используется в индуцибельном, а другой – в репрессибельных системах. Оба типа репрессоров содержат по 2 участка с вязывания, один из которых специфичен для операторного локуса Жакоб и Мано обобщили свою модель регуляции белкового синтеза для случа я координированной репрессии, при которой один и тот же репрессор может подавлять синтез группы ферментов и для случая координированной индук ции, при которой несколько ферментов могут быть индуцированы одним и тем же индуктором. Таким образом, концентрация некоторых ферментов возрастает при добавл ении субстратов этих ферментов, это явление называется адаптацией или и ндукцией фермента. Концентрация ферментов может уменьшаться в присутс твии конечных продуктов реакций, катализируемых этими ферментами, этот эффект называется репрессией ферментов. Индукция и репрессия ферменто в взаимосвязаны. Индукция – это снятие репрессии. Индуцибельные и репрессибельные системы контролируются генами трех ти пов: Это структурные гены, кодирующие аминокислотную последовательность фе рмента Регуляторные гены, кодирующие белок-репрессор Ген-оператор , с которым специфически связывается репрессор. Молекулы индуцирующего агента обладают способностью специфически свя зываться с белком репрессором. Образующийся при этом комплекс репрессо р индуктор уже не может взаимодействовать с оператором, что приводит к а ктивации транскрипции структурного гена. Группа функционально взаимос вязанных генов называется опероном. Гены, входящие в состав данного опер она, активируются или репрессируются одновременно. Каждый оперон имеет оператор. Деятельность оперона находится под контролем гена-регулятора. Посколь ку структурные гены и ген-регулятор находятся на разных участках цепи ДН К, связь между ними осуществляется при помощи вещества посредника, репре ссора. Репрессор имеет сродство к оператору и обратимо соединяется с ним в комплексе. Образование комплекса блокирует синтез мРНК, а следователь но синтез белка. Таким образом, функция гена – регулятора – “запрещать” деятельность оперона, синтезирующего мРНК. Репрессор обладает способн остью строго специфически связываться с определенными низкомолекуляр ными веществами, называемыми индукторами или эффекторами. Когда такой и ндуктор соединяется с репрессором, последний теряет способность связы ваться с геном оператором, который выходит из-под контроля гена-регулято ра, и начинается синтез мРНК В живых клетках должны функционировать точно запрограммированные меха низмы, обеспечивающие нужные соотношения между количествами различных синтезируемых белков. Например, число ферментов, катализирующих реакци и основного метаболического пути, должно превышать число молекул ферме нтов, ответственных за синтез коферментов, которые необходимы в следовы х количествах. Возможность регуляции скорости синтеза различных ферме нтов позволяет клетке экономить РНК и белки. Таковы теоретические модели и гипотезы о природе регуляторных процесс ов биосинтеза белка. Генетический код Одной из наиболее интригующих головоломок молекуляр ной биологии было выяснение вопроса каким образом четырехбуквенный “я зык” ДНК, содержащий всего 4 разных азотистых основания (А,Г,Ц,Т) переводит ся на двадцатибуквенную речь белков через образование м РНК. Из чего сос тоит код? Код не может состоять из одного нуклеотида, поскольку только 4 ам инокислоты могут кодироваться. Также код не может быть дуплетным, комбин ация двух нуклеотидов из четырехбуквенного “алфавита” не может охвати ть всех АК, т.к. подобных комбинаций 16 (4 2 =16), а в состав белка входят 20 АК. Для кодирования всех АК белковой молекулы нужен триплетный код, где числ о возможных комбинаций – 64 (4 3 =64). Гене тический код для АК является вырожденным, это означает, что большинство АК кодируется несколькими кодонами. Вырожденность кода неодинакова дл я разных АК. Вырожденность чаще всего касается только третьего нуклеоти да, в то время как почти для всех АК первые 2 нуклеотида являются общими. Он а несет биологический смысл:, т.к. в процессе мутации различные АК могут б ыть заменены, наиболее ценные отбираются в процессе эволюции. Другая отличительная черта генетического кода – отсутствие “знаков п репинания”, т.е. сигналов, указывающих на конец одного кодона и начало дру гого. Другими словами код является линейным, однонаправленным и непреры вающимся. Это обеспечивает синтез в высшей степени упорядоченной после довательности молекулы белков. Третья существенная особенность кода состоит в том, что 3 триплета не код ируют аминокислоты, они используются в качестве окончания синтеза (терм инации) полипептидной цепи. Код универсален для всех живых организмов, от инфузорий до человека. Мож но заключить, что “генетический язык” в основном, одинаков для всех видо в, но возможны небольшие видовые отклонения, возникшие, вероятно, в проце ссе эволюции и дифференцировки. Таким образом, в ДНК имеются 4 разных основани, первона чально кодирующих всю информацию. Триплетность кода приводит к существ ованию 64 разных тринуклеотидных последовательностей (4*4*4). Природа кода тр иплетна – каждая аминокислота программируется в мРНК тремя основания ми, названными кодонами. Из простых математических вытекало, что каждая АК кодируется небольшим числом последовательно расположенных нуклеот идных остатков в цепи ДНК. Для кодирования одной АК требуется более одно го нуклеотида, поскольку в ДНК обнаружено 4 типа оснований, а в белках 20 раз ных аминокислот. Далее, поскольку из 4 нуклеотидов (А,Г,Ц,Т) возможно лишь 16 р азличных сочетаний по 2 нуклеотида (4 2 =16), кодовое “слово” для АК должно состоять более чем из двух букв. При помощи четырех разных оснований, взятых в комбинациях по три, возмож но закодировать 64 (4 3 ) различные АК. Та ким образом, триплетный код достаточен для кодирования всех 20 аминокисл от, входящих в состав природных белков. Характерные особенности генетического кода. Генетический код вырожден, что означает, что почти каждой АК (кроме трипт офана и метионина) соответствует более чем один кодон. Термин вырожденны й, не означает неточный, поскольку один кодон не может кодировать более о дной АК. Вырожденность генетического кода имеет важное биологическое з начение. Существует неравномерность вырожденности кода. Например, код д ля серина и лейцина вырожден шестикратно, т.е. имеется 6 кодонов для серина и 6 - для лейцина, тогда как для многих других аминокислот (глутаминовая ки слота, тирозин, гистидин) код характеризуется лишь двукратной вырожденн остью. Во многих случаях вырожденность затрагивает только третье основание в кодоне. Например, аланин кодируется : 2 первых основания одинаковы для все х четырех кодонов аланина. Иногда, если 2 аминокислоты имеют кодоны, в кото рых 2 первых основания одинаковы, то третье может быть только пурин или пи римидин. Другая существенная особенность генетического кода состоит в том, что в нем полностью отсутствуют “сигналы” указывающие на конец и начало друг ого (т.е. знаки препинания). Поэтому считывание должно начинаться с опреде ленного места молекулы матричной РНК и продолжаться последовательно о т одного триплета к другому, иначе нуклеотидная последовательность во в сех кодонах окажется измененной, что в свою очередь приведет к образован ию белка с искаженной АК последовательностью. Третья существенная особенность кода состоит в том, что из 64 триплетов – 3 не кодируют АК. Они используются в качестве сигнала окончания синтеза (т ерминации полипептидной цепи). Универсальность кода. Триплеты, кодирующие одну и туже АК одинаковы у че ловека, растений табака и инфузорий. Ряд экспериментов подтверждает выв од об универсальности кода. Можно заключить, что “генетический язык” в о сновном одинаков для всех видов, но возможны небольшие видовые отклонен ия, возникшие, вероятно в процессе эволюции и дифференцировки. Вырожденность генетического кода обеспечивает организмам селективно е преимущество. Если бы 20 АК кодировалось только 20 из 64 возможных кодонов, т о большинство мутаций в кодирующих триплетах приводило бы к возникнове нию бессмысленных триплетов на кодирующих АК. При существующем генетич еском коле мутация вызывает появление кодона с измененным смыслом, коди рующего другую АК или кодона синонима. Мутантный белок при этом оказывае тся не только функционально полноценным, но и даже полезным. Вырожденнос ть кода способствует совершенствованию генома и его продуктов, посколь ку в результате мутации происходят различные АК замены из которых в проц ессе эволюции отбираются наиболее ценные для выживания. Несмотря на универсальность кода, относительное содержание четырех ос нований в ДНК может существенно варьировать от вида к виду. Как мы уже отмечали, в генетическом коде отсутствуют “запятые” между сос едними кодонами, но имеются специальные знаки, отмечающие начало и конец полипептидной цепи. Три триплета ( УАГ, УАА И УГА) вообще не кодируют АК. Они идентифицированы к ак сигналы терминации, т.е. окончания синтеза полипептидной цепи. В полип ептидных цепях некоторых белков содержатся АК, для которых нет соответс твующих “слов” в генетическом коде. Эти “некодируемые” АК являются прои зводными “обычных” АК, которым соответствуют определенные кодоны. Эти р едкие АК образуются в результате ферментативной модификации из АК, прои зводными которых они являются уже после того, как эти аминокислоты включ ились в полипепдидную цепь в соответствии с кодом. ЛИТЕРАТУРА 1. Мецлер Д. Биохимия. Т. 1, 2, 3. “Мир” 2000 2. Ленинджер Д. Основы биохимии. Т.1, 2, 3. “Мир” 2002 3. Фримель Г. Иммунологичес кие методы. М. “Медицина” 2007 4. Медицинская электронная аппаратура для здравоохранения. М. 2001 5. Резников А.Г. Методы опре деления гормонов. Киев “Наукова думка” 2000 6. Бредикис Ю.Ю. Очерки клинической электроники. М. “Медици на” 1999

Приложенные файлы


Добавить комментарий