ОСНОВЫ НАСЛЕД2 часть.2022

ПЛАН ЛЕКЦИИ:
Ген, строение, функции и свойства.
Регуляция работы гена.
Экспрессия генетической информации.
Транскрипция.
Процессинг.
Сплайсинг РНК.
Трансляция.
Процессинг белка.

Уотсон и Крик показали, что ДНК образована двойной спиральной полинуклеотидной цепью,
пространственная структура В-формы ДНК.

Свойства ДНК
1) Универсальность.
2) Специфичность
Специфичность зависит от ряда обстоятельств:
Сколько нуклеотидов образуют ДНК
Какие нуклеотиды образуют ДНК
Как расположены нуклеотиды в цепи
3) Способность к самоудвоению, репликации или редупликации.
4) Способность к репарации.

Репликация начинается сразу в нескольких точках.
Единица репликации – репликон.
Репликацией ДНК выполняется одна из функций ДНК – воспроизведение и передача новому поколению генетической информации в процессе полового и бесполого размножения

4 . Генетический код и его свойства.
Генетический код – система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, контролирующая последовательность расположения аминокислот в белке.
генетический код трехбуквенный, триплетный, состоит из кодонов
генетический код универсален
генетический код уникален
генетический код вырожденный
генетический код неперекрывающийся, считывание в одном направлении
генетический код эволюционно заморожен

Словарь генетического кода

1. Ген строение и функции
Единицей функционирования наследственного материала является ГЕН.
История развития представлений о гене:
1) Г.Мендель указал некоторые свойства гена: доминантность, рецессивность, дискретность, стабильность, нахождение в гамете лишь одного наследственного фактора из двух.

2) Термин ген был введен в 1909 году В. Иогансоном.
3) В 1911 году английский врач А.Гаррод делает вывод «Гены управляют синтезом и активностью ферментов».
4) Теория гена Т.Г.Моргана (1926 год)
5) Представление о гене Н.Кольцова (1927год)
6) А.С.Серебровский и Н.П. Дубинин 1928год
7) Физико-химическая концепция гена Уотсона и Крика (1953 год)
8) Открытие явления обратной транскрипции Темином и Балтимором (1970 год)

Определение гена.
Ген – это сложная динамическая система нуклеотидных последовательностей ДНК, принимающих участие в формировании признаков клетки и организма в целом.
Ген – это понятие биологическое, а не химическое. С химической точки зрения, молекулярной основой гена является действительно нуклеиновая кислота, но отрезок ДНК или РНК является геном лишь тогда, когда он находится в тесном взаимодействии с другими компонентами генетического аппарата клеток.

Основные положения системной концепции гена:
Ген – это сложные системное образование. Оно включает структурно-функциональные и регуляторные участки.
Ген не автономен, а является частью генетической структуры клетки, которая образована хромосомами, РНК, плазмогенами.
Ген тесно связан с другими структурами клетки и организма (эндокринной, нервной, мембраной и т.д.).
Клетка и организм оказывают влияние на ген, т.е. возможно обратное влияние сомы на ген.

Гены, определяющие развитие одного и того же признака и расположенные в одних и тех же локусах (участках) гомологичных хромосом называются аллельными парами или генами
Совокупность всех наследственных факторов организма (генов), в диплоидном наборе хромосом ядра называется генотипом
Если в гомологичных хромосомах находятся аллельные гены, кодирующие одинаковое состояние признака (оба гена кодируют желтую окраску семян - АА), то такой организм называется гомозиготным
Если гены кодируют различное состояние признака, то такой организм - гетерозиготный (Аа)

Физический размер генома
геном - суммарная ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащаяся в отдельной клетке
Кишечная палочка 4*106
Дрозофила 1,4*108
Эукариоты 106 - 1011 п.н.
Прокариоты - до 8*106 п.н.
Человек 3,3*109

Классификация генов:
1) Структурные гены
2) Гены модуляторы:
Модификаторы
Интенсификаторы – повышают мутабильность генов (частоту мутаций)
Ингибиторы
3) Регуляторные гены

Уровни организации наследственного материала:
1) Генный (элементарная единица – ген)
2) Хромосомный (элементарная единица – хромосома)
3) Геномный взаимодействие генов из разных пар хромосом

Плазмогены
Плазмогены – внеядерный генетический материал:
гены хромосом пластид, митохондрий, клеточного центра,
вирусов, плазмид (внехромосомные генетические элементы).
Особенности плазмогенов:
Количество непостоянно
Передаются только по женской линии
Неравномерно распределяются между дочерними клетками
Функции:
1) Осуществляют генетический контроль за синтезом ряда ферментов цитоплазмы.
2) Взаимодействуют с хромосомами ядра, т.к. часть информации митохондрий содержится в ядре.

Свойства генов:
1) Дискретность
2) Стабильность
3) Специфичность
4) Способность к мутациям
5) Дозированность

Функции генов:
1) Хранение наследственной информации
2) Передача наследственной информации в поколения
3) Управление биосинтезом белков и других соединений в клетке
4) Восстановление поврежденных генов (репарация ДНК т РНК)
5) Обеспечение наследственной изменчивости клеток и организма
6) Контроль за индивидуальным развитием клеток и организмов
7) Рекомбинация (процесс перегруппировки генов)

Строение гена эукариот
В 1978 году Гильберт на основании анализа многих работ предложил модель мозаичного
(интронно-экзонного) строения гена эукариот
Интроны-информационно-незначащие участки
Экзоны-информационно-значащие участки

Строение гена эукариот
Старт- триплеты основная триплеты
триплет инициации часть терминции
Гены прокариот состоят в основном из информационных участков (экзонов).
Гены эукариот состоят из информационных и неинформационных зон (интронов и экзонов).

транскриптон
Промотор – строго определенная нуклеотидная последовательность, которая узнается ферментом РНК полимеразой.
Функция:
Это место присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК
Определяет «смысловую» цепь ДНК
Оператор – регулирует транскрипцию
А1,А2,А3,Аn – структурные гены
Терминатор – последовательность нуклеотидов, дойдя до которой РНК полимераза соскальзывает с ДНК

2. Регуляция работы генов.
Как выяснил Жак Моно, работой оперона управляют гены - регуляторы.
Гены-регуляторы управляют работой структурных генов через белки-репрессоры
Ф. Жакоб и Ж.Мано в 1961 году вводят понятия: структурные гены, гены регуляторы, операторы, терминаторы, промоторы

Ген-регулятор отвечает за синтез активного белка-репрессора.
1) зона связи с оператором
2) зона связи с субстратом (субстрат – любое вещество, информация о синтезе или распаде которого закодирована в данном транскриптоне).

Жак Моно: «Что хорошо и правильно для бактерии с генетической точки зрения, то правильно и для слона».
Включение и работа транскриптона зависит от ряда факторов:
Специализация клетки
Физиологического состояния
Возраста клетки
Условий внешней среды

3. Этапы экспрессии генетической информации
В 1958 году Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии. Она показывает план потока информации в клетке
ДНК ? РНК ? белок ? признак
Затем эта формула была дополнена:
ДНК ?? ДНК ?? РНК ? белок ? признак
Этот поток включает у эукариот 6 процессов:
репликацию ДНК
транскрипцию
обратную транскрипцию
процессинг и сплайсинг РНК
трансляцию
процессинг белка

Перенос информации в клетке
Основные варианты:
ДНК-ДНК
ДНК-РНК
РНК-белок

4. Транскрипция
Это переписывание информации с ДНК на нуклеотидную последовательность РНК.
Она начинается с включения в работу транскриптона.
Транскриптоны расположены на хромосоме и отделены друг от друга неинформационными зонами - спейсерами

5. Транскрипция –
Это переписывание информации с ДНК на нуклеотидную последовательность РНК.
Она начинается с включения в работу транскриптона.
Транскриптоны расположены на хромосоме и отделены друг от друга неинформационными зонами - спейсерами

У эукариот различают 3 вида РНК-полимераз, у прокариот – 1 вид.
РНК-полимераза 1 – с её участием идёт синтез рРНК.
РНК-полимераза 2 – с её участием транскрибируются структурные гены.
РНК-полимераза 3 – с её участием идёт синтез тРНК
Считывание идёт всегда только с одной цепи ДНК, которая называется смысловой (3’ 5 ‘) Результатом этого этапа является гетерогенная ядерная РНК или незрелая РНК, или первичный транскрипт.

Транскрипция идёт и на второй цепи ДНК, которую назвали антисмысловой, где запись идёт с конца на начало, т. е. в обратном порядке (термодинамика не ясна).
Функции анти-РНК:
В клетке антисмысловая и-РНК играет регулирующую роль в направлении дифференцировки.
При образовании дуплекса (и-РНК + анти и-РНК) и-РНК не переносится из ядра на цитоплазму. Дуплекс быстрее разрушается ферментами.
При введение в клетку анти и-РНК актина нарушается его синтез и не формируется цитоскелет.
Практическое значение этого открытия в медицине:
В ведение анти и-РНК вирусов саркомы Рауса, Герпеса, гриппа, СПИДа может предотвращать заражение.
Анти и-РНК некоторых онкогенов в эксперименте устраняет злокачественное перерождение клеток.

Рамка считывания - установка начала транскрипции с первого нуклеотида структурного гена.
У прокариот может быть несколько рамок считывания.
У эукариот только 1 рамка считывания.

5. Процессинг (созревание)

6. Сплайсинг – вырезание интронов
Вырезка интронов идет при помощи ферментов – рестриктаз. При помощи других ферментов – лигаз – идёт сшивание экзонных участков (сплайсинг).

Альтернативный сплайсинг –
это образование разных видов и-РНК на основе одной незрелой РНК
Примеры:
1) Один и тот же ген в клетках щитовидной железы отвечает за синтез кальцитонина, а в нервной ткани – за синтез нейропептида.
2) Альтернативный сплайсинг характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих. Он позволяет формировать на основе одной незрелой РНК несколько видов и-РНК для синтеза разных видов антител.
1

Нарушение сплайсинга
1) При ревматизме, красной волчанке (аутоиммунных заболеваниях) у больных обнаружены антитела против мя РНК, что приводит к нарушению сплайсинга.
2) Талассемия – у больных пониженное содержание гемоглобина.
Незрелая РНК
Норма патология

7. ТРАНСЛЯЦИЯ
перевод нуклеотидной последовательности
и-РНК в аминокислотную последовательность белка в рибосоме

Трансляция– перевод нуклеотидной последовательности и-РНК в аминокислотную последовательность белка
Этапы биосинтеза белка:
1. Инициация
2. Элонгация
3. Терминация

Этапы биосинтеза белка:
1. Инициация.
AUG - единственный инициирующий кодон природных эукариотических мРНК
Биосинтез белка начинается с образования комплекса между малой 30S субчастицей рибосом и инициаторной т-РНК

2. Элонгация.
Элонгация – процесс считывания информации по принципу комплиментарности

3. Терминация.
Терминация – на иРНК стоп-кодон

АУГ
ГУГ
УУГ
УАА
УАГ
УГА

Правильность декодирования зависит от:
1) Связывания аминокислоты с т-РНК,
2) Связывания кодона и антикодона.
УОББЛИНГ-эффект – это такое взаимодействие кодона и антикодона, при котором два первых нуклеотида кодона и антикодона строго комплементарны, а третий может колебаться.
норма мутация
и-РНК УУГ-лейцин и-РНК УУА
уобблинг-эффект
т-РНК ААЦ т-РНК ААЦ

8. Процессинг белка – процесс созревания белковой молекулы.
1) Многие мембранные белки синтезируются в виде пре-белков. Они имеют на N-конце лидерную последовательность, которая обеспечивает узнавание мембран и встраивание внутрь.
2) Секреторные белки имеют на N-конце лидерную последовательность, которая обеспечивает их транспорт через мембрану.

Например, в аркуатном ядре промежуточного мозга вырабатывается молекула пропиомеланокортина – 265аминокислот.
ПО АКСОНАМ ПО АКСОНАМ
В переднюю долю гипофиза: В спинной мозг:
1) МСГ – 11АК 1) αМСГ – 13 АК
2) АКТГ – 39АК( активирует 2) α-липопротеин 59АК (жировой
кору надпочечников) обмен)
3) В-липопротеин – 92АК 3) β-эндорфин 30 АК (обезболивающий):
(жировой обмен) а) В МСГ – 17 АК
б) Энкефалены 4АК (обезболивающий
эффект)

Ингибиторы белкового синтеза
Антибиотики, действующие только на прокариотов:
ТЕТРАЦИКЛИН – блокирует связывание т-РНК с рибосомой
СТРЕПТОМИЦИН – препятствует объединению большой и малой субъединицы рибосомы, нарушает процесс элонгации аминокислотной цепи
ЭРИТРОМИЦИН – нарушает переход т-РНК из а-участка в Р-участок рибосомы и продвижение рибосомы по цепи и-РНК
Внимание: митохондриальные рибосомы близки по чувствительности к прокариотическим
Антибиотики, эффективные как для прокариотов, так и эукариотов.
ПУРОМИЦИН - присоединяется к растущему концу полипептидной цепи, вызывает её преждевременное отделение от рибосомы
АКТИНОМИЦИН Д – связывается с ДНК и препятствует процессу транскрипции
Антибиотики, эффективные для эукариот.
ЦИКЛОГЕКСИМИД – блокирует процесс транслокации на рибосомах, применяется при грибковых воспалениях
АНИЗОМИЦИН – блокирует пептидилтрансферазу
АЛЬФА-АМАНИТИН – блокирует синтез и-РНК за счёт связывания с РНК-полимеразой 2
Применение антибиотиков, которые подавляют синтез белка во всех типах клеток (прокариот и эукариот) основано на том, что у паразитов синтез белка протекает быстрее, нежели у хозяев.