Гени, їх будова і функціональна роль
ГЕН (від грец. генос – рід, походження) – це ділянка ДНК, що містить інформацію про первинну структуру молекули білка або РНК і визначає можливість розвитку ознаки.
Ген є ділянкою дволанцюгової ДНК і лише один із ланцюгів кодує мРНК. Цей ланцюг називають антизмістовним. Послідовність нуклеотидів у ньому комплементарна матричній РНК, саме із цим ланцюгом працюватиме РНК-полімераза. Інший ланцюг ДНК за послідовністю нуклеотидів збігається з матричною РНК, що кодується геном. Цей ланцюг називають змістовним. При цьому один ланцюг ДНК може бути антизмістовним для одних генів і змістовним - для інших.
Струкура генів еукаріотів має мозаїчний характер.
 |
| Організація генів еукаріотів |
Послідовність різних ділянок гену наступна:
- промотор - ділянка, що відповідає за зв'язування РНК-полімерази;
- кодувальна частина гена - частина, що кодує РНК. Починається зі старт-кодону (частина гену, що кодує першу амінокислоту білка) і закінчується стоп-кодоном (частина гену, що визначає закінчення амінокислотної послідовності білка);
- термінатор - місце, в якому РНК-полімераза припиняє синтез.
Кодувальна частина гена еукаріотів містить екзони (кодуючі ділянки) і інтрони (некодуючі ділянки).
У прокаріотів генетичний матеріал має оперонну організацію. Оперон (від лат. operor – працюю) - функціональна одиниця організації геному прокаріотів. До складу оперона входять один або декілька структурних генів. Ці гени відповідають за синтез білків, залучених до одного ланцюжка біохімічних перетворень.
 |
| Організація лактозного оперону кишкової палички |
Так, лактозний оперон кишкової палички містить спадкову інформацію про три білки, що беруть участь у поглинанні та розщепленні лактози. Структурні гени прокаріотів не мають мозаїчної структури, тобто в їхньому складі немає розподілу на кодувальні (екзони) й некодувальні (інтрони) ділянки.
Реакції матричного синтезу
Реакції матричного синтезу – це реакції синтезу нових молекул точно відповідно до плану, закладеного в структурі молекул, що вже існують.
До реакцій цього типу відносять:
- реплікацію;
- транскрипцію;
- трансляцію.
Реплікація:
Представляє собою процес подвоєння молекули ДНК за участю фермента ДНК-полімерази.
Процес включає в себе наступні етапи:
- розкручування подвійної спіралі ДНК, ферментом геліказою;
- прикріплення ДНК-полімерази до одноланцюгової ДНК
- нарощування нового ланцюга за принципом комплементарності. Це нарощування може відбуватися тільки у напрямі 5'-3 (лідуючий ланцюг);
 |
| Реплікація ДНК |
- ліквідація розривів між фрагментами Оказакі у відстаючому ланцюзі за допомогою ДНК-лігази.
 |
Мал. Структура реплікаційної вилки ДНК. Оскільки обидва ланцюги
дочірньої ДНК полімеризуються у напрямку 5' → 3', ДНК, синтезована на
відстаючому ланцюзі, повинна спочатку синтезуватися в у вигляді ряду коротких молекул ДНК, що названють фрагментами
Оказакі. Фрагменти Оказакі синтезуються на відстаючому ланцюзі послідовно,
причому чим ближче до вилки, тим «новіше». |
Транскрипція:
Транскрипцією називають процес, за допомогою якого послідовність основ в одноій із ділянок ланцюга ДНК «переписується» в комплементарну послідовність основ мРНК.
Подвійна спіраль ДНК розкручується внаслідок розриву відносно слабких водневих зв'язків між основами двох одиночних ланцюгів ДНК. Тільки один з цих ланцюгів може бути обраний як матриця для утворення комплементарного одиночного ланцюга мРНК.
Транскрипція здійснюється у кілька етапів:
1. Ініціація (лат. injicere – викликати) - утворюється кілька початкових кодонів іРНК.
2. Елонгація (лат. elongare - подовжувати) - нитки ДНК послідовно розплітаються, звільняючи місце для РНК-полімерази, що пересувається. Молекула іРНК швидко подовжується.
3. Термінація (лат. Terminalis - заключний) - досягаючи особливої ділянки ланцюга ДНК - термінатора, РНК-полімераза отримує сигнал до припинення синтезу іРНК. Транскрипція завершується. Синтезована іРНК дозріває у результаті процесингу та прямує з ядра в цитоплазму.
Трансляція:
Процес трансляції полягає у синтезі білка на рибосомі за матрицею іРНК. Послідовність кодонів іРНК перетворюється на послідовність амінокислот.
Безпосередньо перед трансляцією амінокислоти приєднуються до відповідних молекул тРНК. Трансляцію можна поділити на кілька стадій:
1. Ініціація
Інформаційна РНК приєднується до рибосоми, що складається з двох субодиниць. Поза процесом трансляції субодиниці рибосом перебувають у розібраному стані.
Перший кодон іРНК, старт-кодон, АУГ опиняється у центрі рибосоми, після чого тРНК приносить амінокислоту, відповідну кодону АУГ – метіонін.
2. Елонгація
Рибосома робить крок, іРНК просувається на однин кодон: у фазу елонгації ця подія відбувається десятки тисяч разів. Молекули тРНК приносять нові амінокислоти, що відповідають кодонам іРНК. Амінокислоти поєднуються одна за одною: між ними утворюються пептидні зв'язки, молекула білка подовжується.
 |
| Мал. Трансляція: 1 - рибосома; 2 - кодон; 3 - антикодон; 4 - амінокислота; 5 - наростання поліпептидного ланцюга. |
3. Термінація
Синтез поліпептидного ланцюга у певний момент завершується. Сигналом до цього є так звані стоп-кодонів: УАГ, УГА, УАА, які у певний момент опиняються у центрі рибосоми. Вони відносяться до нонсенс-кодонів (безглуздих), які не кодують жодну амінокислоту. Їхня функція - завершити синтез білка.
Генетичний код і його основні властивості
Коли Вотсон і Крик в 1953 р. заявили про спіральну структуру ДНК, вони висловили також припущення, що генетична інформація ція, яка передається з покоління та контролює життєдіяльність клітини, укладена в молекулі ДНК у формі послідовності основ. Після того як було показано, що ДНК кодує синтез білкових молекул, стало зрозуміло, що послідовність у ДНК повинна кодувати вати послідовність амінокислот в білкових молекулах. Цей зв'язок між основами та амінокислотами відома під назвою генетичного коду.
 |
| Таблиця генетичного коду (мРНК) |
Властивості генетичного коду:
- триплетність - три основи (триплет) в молекулі ДНК кодують одну амінокислоту в молекулі будь-якого білка. Комплементарні триплети мРНК називають кодонами;
- виродженість - амінокислоти кодуються не одним, а декількома кодонами;
- лінійність;
- універсальність - одні і ті ж триплети кодують одні й ті ж амінокислоти у всіх організмів.
Репарація ДНК
ДНК – це єдина макромолекула клітини, яка здатна усувати (репарувати) пошкодженняня, що виникають у її структурі. Комплементарне спарювування лежить в основі не тільки реплікації ДНК, а й процесу відновлення вихідної структури ДНК при репарації пошкоджень молекули. Одночасне пошкодження обох ланцюгів в одному місці та дволанцюгоові розриви часто виявляються летальними для ДНК, оскільки такі дефекти репаруються лише в окремих випадках.
Найчастіше відбувається розрив глікозидних зв'язків між пурином (аденін, гуанін) та дезоксирибозою N (депуринізація) при підвищенні температури. За добу в клітині людини відбувається від 5000 до 10 000 актів депуринізації. Якщо не приймати ніяких заходів, це призведе до порушення реплікації та експресії генів. Багато змін у структурі ДНК відбуваються під дією хімічних речовин, присутніх у навколишньому середовищі. Не менш руйнівними можуть бути і фізичні впливи.
 |
| Репарація пошкодженої ДНК шляхом заміни модифікованих нуклеотидних залишків |
Завдання 1.
Гормон глюкагон має білкову природу. Визначте кількість нуклеотидів у складі гена, що кодує цей білок, якщо молярна маса білка становить 2 900, а молярна маса амінокислоти - 100. Візьміть до уваги: ген, що кодує цей білок, містить 40% інтронів.
Рішення:
Ми знаємо, що кожну амінокислоту кодує триплет нуклеотидів. Ці нуклеотиди є екзонами, оскільки вони кодують синтез білка (інформативна ділянка).
Отже, ми можемо дізнатись кіл-ть екзонів у гені.
29*3 = 87 — екзонів у гені.
Так як за умовою у гені міститься 40% інтронів, то очевидно, що екзони складають 60%. Тепер дізнаймося загальну кіл-ть нуклеотидів у гені, склавши пропорцію:
87 — 60%
х — 100%;
х = 87*100/60 = 145 — загальна кіл-ть нуклеотидів в одному ланцюзі ДНК (оскільки інформація про білок зчитується лише з одного ланцюга).
Ген — це фрагмент ДНК, яка складається з двох ланцюгів, отже кількість нуклеотидів у гені:
145*2 = 290
Відповідь: 290 нуклеотидів у складі гена, що кодує глюкагон.
Немає коментарів:
Дописати коментар