Кафедра биологии с экологией и курсом фармакогнозии Доцент Е.В. Зубарева Лекция 2 стом. Генный уровень организации наследственного материала

ПЛАН 1. Материальный субстрат наследственности и изменчивости. 2. Биологический код и его свойства. 3. Экспрессия генетической информации у про- и эукариот и ее регуляция.

Наследственность – свойство клеток или организмов в процессе самовоспроизведения передавать новому поколению способность к определенному обмену веществ и к онтогенезу, что обеспечивает формирование признаков и свойств этого типа клеток и организмов.

Изменчивость - свойство живых систем приобретать изменения и существовать в различных вариантах. Материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты в большинстве - это ДНК.

ДНК Первичная структура – полинуклеотидная цепь, мономеры (нуклеотиды) соединяются фосфоди- эфирными связями (сборка цепи за счет фермента полимеразы). Наращивание цепи идет в направлении 5/ /

Свойства ДНК 1. репликация 2. репарация 3. транскрипция 4. рекомбинация 5. мутация Основная функция ДНК – хранение и передача наследственной информации.

Вторичная структура ДНК – две полинуклеотидные цепи (антипараллельны), связанные водородными связями по принципу комплементарности (А-Т, Г-Ц). Третьичная структура – трехмерная структура ДНП

Свойства ДНК РЕПЛИКАЦИЯ – способность к самокопированию Способ: ПОЛУКОНСЕРВАТИВНЫЙ

Свойства ДНК. Репликация Этапы РЕПЛИКАЦИИ: 1 - Разделение материнской цепи на 2 матричные нити (работает фермент ГЕЛИКАЗА) 2 - Дестабилизирующие белки располагаются вдоль каждой полинуклеотидной цепи (роль: растяжение нити и доступность для комплементарных нуклеотидов) 3 – Достраивание дочерней нити ДНК у каждой материнской с участием фермента ДНК-зависимойДНК-полимеразы.

РЕПАРАЦИЯ – коррекция нарушений соединений, возникших под влиянием реакционно-способных веществ или УФ. При наличии большого объема поражений включается система индуцируемых ферментов репарации (SOS система: восстановление может идти без соблюдения принципа комплементарности, что ведет к стойким изменениям – мутациям) - При значительном повреждении – блокада репликации ДНК.

МУТОН - минимальное количество наследственного материала, способного изменяться и приводить к появлению новых вариантов признака. Мутон – это элементарная единица мутационного процесса. Минимальный мутон соответствует 1 паре комплементарных нуклеотидов.

Нарушение реализации экспрессии генов РЕЗУЛЬТАТ - Синтез аномального белка; - Выработка избыточного количества; - Отсутствие выработки; - Выработка уменьшенного количества нормального продукта ГЕННЫЕ БОЛЕЗНИ – болезни обмена веществ

Геном эукариот Геном – совокупность ядерной и цитоплазматичес кой ДНК в половой клетке. Геном – величина «С», характериз- ующая вид, измеряется в н.п. или дальтонах.

Геном человека Содержит 3,5 х 10 9 н.п. (соответствует 1,5 млн. генов) У человека около 100 тыс. различных белков – это только 1-3% от всей ДНК. Гены, регулирующие экспрессию генов – 16%. Более 80% генома – избыточно.

Парадокс величины «С» 1. Увеличение «С» с усложнением организмов в ходе филогенеза. 2. Величина «С» может значительно различаться даже у родственных видов

Классификация генов I. Структурные 1. Независимые 2. Повторяющиеся 3. Кластерные II. Функциональные 1. Промотор 2. Оператор 3. Регулятор 4. Энхансер 5. Сайленсер 6. Спейсер 7. Псевдоген III. Регулирующие ход онтогенеза 1. Хроногены 2. Гены пространственной организации Ген – единица наследственности

Понятие о гене Классификация генов Структурные гены : Независимые гены – их транскрипция не связана с функциональными генами, а напрямую регулируется гормонами Повторяющиеся гены (тандемные) – так устроены гены, несущие информацию о тРНК и рРНК. Кластерные гены – группы различных генов, объединенных одной функцией

Функциональные гены : Оператор – относится к группе акцепторов. Определяет время, с которого начинается транскрипция Промотор –участок ДНК, включает нп. Способен связываться с ДНК – зависимой РНК – полимеразой. Полимераза узнает участок блок Прибнова или Хогнесса. В этом месте ДНК плотно не упаковывается. Промотор определяет место, с которого начинается транскрипция

Энхансер – увеличивает скорость транскрипции Сайленсер – снижает скорость транскрипции Спейсер – неинформативный участок генома прокариот Псевдогены – НП, в которых полимераза не работает, в связи с мутацией Терминатор - ген, на котором заканчивается транскрипция. Находится на 3 конце. Включает палиндром

Код наследственности – способ зашифровки в молекуле ДНК наследственной информации о структуре и функции белков, рРНК, тРНК Генетический код и его свойства Свойства кода (М.Ниренберг, 1963 г.) Колинеарность - параллелизм. Нуклеотидная последовательность ДНК соответствует аминокислотной последовательности белка Триплетность –каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов – триплетом. Из четырех нуклеотидов путем различных сочетаний можно получить 64 триплета - кодона.

Генетический код и его свойства Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может одновременно принадлежать двум кодонам (бывает исключение). Вырожденность – экспериментально установлено, что при триплетности все 64 кодона имеют значение в экспрессии генов. Из них 61 кодон кодирует аминокислоты, а 3 кодона являются стоп – кодонами: УГА,УАГ,УАА. Универсальность – кодирование аминокислот происходит одинаково на всех уровнях организации живой системы

1. Редкие аминокислоты (селеноцистеин) могут включаться в первичную структуру полипептида, кодируясь тройкой УГА(стоп), если за этим кодоном находится особая стимулирующая последовательность нуклеотидов Второй генетический код 2. Инициативный кодон АУГ, отвечает за включение метионина. Иногда инициация метионина может быть обеспечена кодонами АЦА, АУУ,УУГ, если за этими кодонами находится особая стимулирующая последовательность нуклеотидов. Квазиуниверсальность – некоторые кодоны в разных генетических системах кодируют различные аминокислоты. Пример:

Экспрессия генов Это реализация наследственной информации от гена к признаку Признак – белок, рРНК, тРНК.

Экспрессия генов У прокариот У эукариот Этапы Транскрипция Активация и транспорт аминокислот Трансляция Транскрипция Процессинг Активация и транспорт аминокислот Трансляция

Экспрессия генов Транскриптон – единица транскрипции эукариот У эукариот– моноцистроновый - содержит один ген У прокариот– полицистроновый – содержит несколько генов

Транскриптоны прокариот – ОПЕРОНЫ- кодируют несколько белков

Экспрессия генов Транскрипция происходит на матричной цепи ДНК Транскрипция Вторая цепь Вторая цепь – комплементарная или смысловая

Экспрессия генов Стадии транскрипции у прокариот Инициация Осуществляется: Хеликазами, ДНК–зависимыми РНК–полимеразами 5' - ТАТААТ - 3'Промотором, содержащим блок Прибнова (или Хогнесса) 5' - ТАТААТ - 3', который является стартом транскрипции Белковыми факторами инициации Оператором

Экспрессия генов Фермент РНК - полимераза считывает информацию с ДНК - матрицы в направлении 3' 5' Синтез м - РНК идет в направлении 5' 3' Регуляторы скорости транскрипции: ЭНХАНСЕРЫ – (ускоряют) и САЙЛЕНСЕРЫ (замедляют) Элонгация транскрипции у прокариот

Экспрессия генов Терминация транскрипции осуществляется палиндромом, который образует шпилечную структуру или фигуру креста Шпилька Крест

Экспрессия генов У прокариот процессингу подвергаются предшественники т- РНК и р- РНК. В матричных РНК защищаются 5' конец – происходит кэпирование, и 3' конец – происходит полиаденилирование. У эукариот процессинг - это превращение первичного транскрипта г. я РНК в матричную РНК (вырезание интронов, защита концов). Процессинг

5' - Г- Р – Р – Р – АУГАГГУ АУГ ААГ ЦАА ГЦЦ АГЦ УАА - 3' - POLY (A) СН3

Экспрессия генов Участвуют: Т - РНК Ферменты: Аминоацил - т - РНК - синтетазы Активация и транспорт аминокислот Они обеспечивают посттранскрипционную регуляцию

Трансляция Происходит на рибосомах и включает три стадии: Каталитические центры располагаются на рибосоме в нескольких участках Инициация Элонгация Терминация

Малая субчастица узнаёт матричную РНК и её кодон - инициатор – АУГ; Инициаторная тРНК, узнаёт малую субчастицу рибосомы с помощью белковых факторов инициации; Образуется комплекс: малая субчастица рибосомы + мРНК. + тРНК. Белковые факторы инициации уступают место большой субчастице. Происходит сборка рибосомы Инициация трансляции

Элонгация трансляции Стадии элонгации Общая схема процесса трансляции

Терминация трансляции Стадии терминации

Регуляция транскрипции Регуляция транскрипции у бактерий Осуществляется на 5 уровнях: претранскипционном, транскрипционном, постранскрипционном, трансляционном и посттрансляционном. Модель регуляции транскрипции у прокариот разработана Жакобом и Моно в 1961 году на кишечной палочке Регуляция транскрипции у бактерий обычно охватывает кластер генов, кодирующих функционально родственные белки. Такими белками обычно являются ферменты

Регуляция транскрипции у прокариот

Позитивная регуляция оперона состоит в индукции транскрипции путем присоединения к промотору регуляторного комплекса. Репрессия этого оперона осуществляется с помощью белка – репрессора, который блокирует область оператора, когда нет необходимости в экспрессии

Регуляция транскрипции у эукариот Модель регуляции транскрипции у эукариот предложили Бриттен и Дэвидсон Они показали позитивную регуляцию активности структурного гена, которую обеспечивает прилегающий к нему рецепторный сайт. Его строение соответствует строению молекулы активатора, который в данной модели представляет РНК, но может быть и белком. Активатор синтезируется в результате работы гена – интегратора, который является аналогом гена-регулятора у прокариот.

Интегратор Регуляция транскрипции у эукариот ( по Бриттену и Девидсону )

Регуляция трансляции «Второй генетический код»

Регуляция трансляции железом мРНК ферретина

Синтез предшественника и его процессинг Транскрипция Сплайсинг Трансляция γ-МСГβ-МСГ N-концевой участокβ-липотропин АКТГ α-МСГβ- Эндорфин Передняя доля Промежуточная доля Процессинг ( Белок проопиомеланокортин) Посттрансляционная регуляция

Перечислите все функциональные гены. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!