15)

Особенности организации генома эукариот. Строение эукариотического гена, регуляция его активности

В общих чертах строение гена про- и эукариот в принципе одинаково. Ген эукариот так же как и у прокариот функционирует только совместно с регуляторными зонами. Но такой тандем у эукариот не называется опероном. Ген эукариот представляет собой в основном кодирующую часть ДНК, а регуляторные зоны – не кодирующую ДНК. Также как и у прокариот, рассмотрим не только строение самого гена – кодирующей его части, но и обслуживающие его элементы – регуляторные зоны.

1. Ген (кодирующая часть) состоит из:

а. Экзонов.

б. Интронов.

2. Регуляторные участки гена содержат:

а. Стартовый кодон – сайт (место) начала транскрипции.

б. Терминатор – сайт окончания транскрипции.

в. Лидерную последовательность.

г. Трейлерную последовательность.

д. Промотор.

е. Контролирующие зоны располагаются вблизи от обслуживаемого гена.

ж. Модуляторы (энхансеры, сайленсеры) – располагаются вдали от гена.

Кодирующая часть гена эукариот имеет несколько существенных отличий от аналогичной области прокариот (рис. 22 ). Отметим два из них.

1. Как правило, кодирующая область представлена не несколькими генами, а одним. Каждый ген у эукариот имеет свою регуляторную область.

2. Если в генах прокариот не кодирующие участки практически отсутствуют, то ген эукариот имеет мозаичное строение – в нём чередуются участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке и не несущие её. Участки, несущие информацию носят название экзоны, не несущие называются интроны. Число интронов у различных организмов различно.

Мозаичное строение чаше всего встречается в генах, кодирующих белки (с этих генов транскрибируется иРНК) и тРНК. Интересно, что сходные гены у разных организмов одного вида часто имеют одинаковое число интронов в одних и тех же позициях. Обычно длина интронов превышает длину экзонов.

16)

Особенности экспрессии генетической информации у прокариот. Оперонная модель регуляции экспрессии генов у прокариот ф. Жакоба и ж. Моно. Позитивная и негативная индукция транскрипции

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.

Генетический материал прокариотных организмов представлен ДНК. У прокариот ДНК представляет собой более или менее компактное образование, занимающее определенную область в цитоплазме и не отделенное от нее мембраной.

Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму ковалентно замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы. В прокариотной клетке ДНК может находиться и вне бактериальной хромосомы — в плазмидах, но последние не являются обязательными клеточными компонентами.

Экспрессия — обеспечение какого-то признака у организма.

Этапы экспрессии генетической информации у прокариот и их особенности:

1. Транскрипция — биосинтез РНК на матрице ДНК. Единицей транскрипции у прокариот является оперон. У прокариот синтез всех трех видов РНК катализируется одним сложным белковым комплексом — РНК-полимеразой. Образовавшаяся молекула РНК содержит информацию о нескольких белках и сразу же подвергается трансляции.

2. Процессинг — созревание РНК. Только в исключительных случаях требуется их предварительное созревание

3. Трансляция — биосинтез белка на матрице иРНК. В прокариотических клетках процесс трансляции сопряжен с синтезом мРНК: они происходят практически одновременно.

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.

Ф. Жакоб и Ж. Моно выдвинули в 1961 году гипотезу оперона. (Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят цистроны (гены, единицы транскрипции))По этой схеме гены функционально неодинаковы. Один из них — структурный ген, содержит информацию о расположении аминокислот в молекуле белка фермента,другие выполняют регуляторные функции, оказывающие влияние на активность структурных генов – гены – регуляторы. Структурные гены располагаются рядом и образуют блок – оперон. Они программируют синтез ферментов. Кроме того в оперон входят участки, относящиеся к процессу включения транскрипции. Вся группа генов одного оперона функционирует одновременно, поэтому ферменты одной цепи реакции либо синтезируются все, либо не синтезируется ни один из них.

17)

Сравнительная характеристика репликации и транскрипции у про- и эукариотических организмов. Последствия нарушения

нормального хода репликации ДНК.

В общих чертах механизм и последовательность процессов репликации у прокариот и эукариот сходны. Однако есть и некоторые различия. Пять основных различий перечислены ниже

1) Продолжительность клеточного цикла у эукариот варьирует от 10 мин до 200 часов. Поэтому и продолжительность репликации у эукариот больше, чем у прокариот.

2) Роль точек инициации репликации прокариот (ориджинов) у эукариот выполняют автономно реплицирующиеся последовательности (ARS) открытые в 1980 году у дрожжей, а затем обнаруженные у многих высших организмов. С этими автономно реплицирующимися последовательностями связываются специальные белки, инициирующие процесс репликации (подробнее см.: [Жимулёв И.Ф., 2002, с.121]).

3) Размеры репликонов у эукариот значительно меньше, чем у прокариот, хотя в пределах генома одного вида они могут варьировать десятикратно

17.2 Нарушение репликации ДНК – мутации, перестройки генов.

18)

Синтез белка. Посттрансляционные изменения полипептидной цепи

Синтез белка — сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

Первый этап — синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» — переписывание).

На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов — антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.

Третий этап — это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.

На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

18.2 Полипептидные цепи могут подвергаться структурным модификациям, либо будучи ещё связанными с рибосомами, либо после завершения синтеза. Эти конформационные и структурные изменения полипептидных цепей получили название посттрансляционных изменений. Они включают удаление части полипептидной цепи, ковалентное присоединение одного или нескольких низкомолекулярных лигандов, приобретение белком нативной конформации.

Многие модификации осуществляются в ЭР. Здесь происходят фолдинг полипептидных цепей и формирование уникальной третичной или четвертичной структуры белков. Причём для поддержания нативной конформации молекул огромное значение имеет правильное формирование дисульфидных связей.

19)

Свойства наследственного материала, и их определяющие элементарные явления: самовоспроизводство, стабильность, изменчивость. Признак, как результат активности гена. Простые и сложные признаки (привести примеры).

Генетический материал - Компоненты клетки, обеспечивающие хранение, реализацию, воспроизводство и передачу при размножении генетической (наследственной) информации. Свойства генетического материала – дискретность (наличие обособленных групп сцепления – хромосом), непрерывность (физическая целостность хромосомы), линейность (одномерность «записи» генетической информации), относительная стабильность (передача потомству с небольшими изменениями).

Таким образом, частичный материал должен обладать способностью к самовоспроизведению, чтобы в процессе размножения передавать наследственную информацию, на основе которой будет осуществлено формирование нового поколения. Для обеспечения устойчивости характеристик в ряду поколений наследственный материал должен сохранять постоянно свою организацию. Также он должен обладать способностью приобретать изменения и воспроизводить их, обеспечивая возможность исторического развития живой материи в имеющихся условиях. Репарация — молекулярное восстановление. Механизм репарации основан на наличие в молекуле ДНК двух комплементарных цепей. Искажение последовательности нуклеотидов в одной из них обнаруживается специфическими ферментами.

1)Реплика́ция (от лат. replicatio — возобновление) — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение

2)Изменчивость - это свойство, противоположное наследственности. Она заключается в изменениях генетического материала, сопровождаемых изменениями признаков организмов.

Результатом изменчивости является образование новых вариантов организмов, разнообразие жизни.ризнак становится реальностью тогда, когда в цитоплазме появляется продукт активности данного гена. Простой признак развивается как результат определенного типа взаимодействия соответствующих аллельных генов (моногенное наследование). Большинство признаков контролируется совместным действием многих генов

19.2Простой признак – отдельное качество или свойство, отличающее один организм от другого(полипептидная молекула)

Сложный признак – результат взаимодействия многих неаллельных генов в системе генотипа(уровень сахара, АД, рост, вес)

20)

Подвижные генетические элементы и их роль в передаче наследственного материала. Геномы митохондрий и хлоропластов, их отличительные особенности. Плазмиды; их роль в передаче наследственной информации у прокариот

Определенная роль в эволюции геномов как про-, так и эукариотических клеток принадлежит так называемым подвижным генетическим элементам —транспозонам. Они представляют собой автономные единицы, несущие в нуклеотидной последовательности информацию о структуре особых белков, которые обеспечивают их способность к перемещению из одного участка генома в другой. Такое перемещение — транспозиция — может происходить в строго определенные участки хромосом, узнаваемые этими специфическими белками. Транспозиция предполагает репликацию нуклеотидной последовательности подвижного генетического элемента и встраивание копии в ДНК-мишень с сохранением другой копии в прежнем месте.

Установлена также способность подвижных генетических элементов к точному вырезанию и удалению их из хромосомы. Перемещение таких нуклеотидных последовательностей в пределах генома может влиять на регуляцию экспрессии генов, которые прилежат к месту встраивания этих элементов. В результате таких перемещений могут активироваться ранее не активные гены, и наоборот.

Обнаружение подвижных генетических элементов в геномах как про-, так и эукариот указывает на определенные эволюционные преимущества, связанные с их наличием в наследственном материале. Возможно, рекомбинационные процессы, обеспечиваемые подвижными генетическими элементами, имеют немаловажное значение в структурной эволюции генома.

20.1Хлоропласта содержат специфические молекулы ДНК и обладают белоксинтезирующей системой. Однако хлоропласта нельзя отнести к полностью автономным образованиям. В самом деле, количество находящейся в пластидах ДНК не может обеспечить все разнообразие пластидных белков. Частично белки хлоропластов образуются под контролем ядра (Ю.С. Насыров). Хлоропластная ДНК представляет собой кольцевую двуспиральную молекулу и отличается от линейных молекул ДНК в хромосомах ядра. В ней зашифрована информация о рРНК и тРНК хлоропластов, 50% белков тилакоидной мембраны, рибосомальных белков, а также ферменте РНК-полимеразе, который осуществляет синтез мРНК на хлоропластной ДНК. ДНК хлоропластов содержит гены больших субъединиц ключевого фермента фотосинтеза РБФ-карбоксилазы оксигеназы. Остальные структурные белки и белки-ферменты кодируются в ядре. Собственный генетический аппарат имеют и митохондрии. Об этом уже говорилось выше. Геном хлоропластов меньше, чем митохондрий. Молодые митохондриальные клетки обычно полиплоидны и содержат много хромосом. Хлоропласты становятся полиплоидны только в зрелой клетке и при этом количество ДНК больше чем в митохондриях. В целом сумма генома хлоропластов и митохондрий составляет около трети генома ядра.

20.2Плазмиды — это широко распространенные в живых клетках внехромосомные генетические элементы, способные существовать и размножаться в клетке автономно от геномной ДНК.

Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК, называют плазмоном. Он определяет особый тип наследования признаков — цитоплазматическое наследование.

Плазмидам и другим нехромосомным генетическим элементам принадлежит основная роль в передаче генетической информации по горизонтали.

Встраивание плазмид и мигрирующих

элементов помимо того, что приводит к введению в хромосому дополнительного генетического материала, может вызывать перестройку бактериального генома: нарушать целостность генов или регуляцию их функционирования, т. е. вызывать мутации.

21)

Классификация генов: структурные, функциональные, гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторы и операторы), их роль в реализации наследственной информации. Аллель гена. Множественные аллели как результат изменения нуклеотидной последовательности гена..

Структурные гены - уникальные компоненты генома, представляющие единственную последовательность, кодирующую определенный белок или некоторые виды РНК.

Функциональные гены - регулируют работу структурных генов. К ним относятся гены-модуляторы: ингибиторы, интенсификаторы, модификаторы.

Ген-регулятор — ген, модифицирующий или регулирующий активность других генов.

Синтез белка контролируют гены-операторы. Совокупность рабочих генов – операторов и структурных генов – называется оперон.

21.1Аллельные гены - различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологических хромосом. Аллели определяют варианты развития одного и того же признака. В нормальной диплоидной клетке могут присутствовать не более двух аллелей одного локуса одновременно. В одной гамете два аллеля находиться не могут.