1. Трансверсія — переміщення азотистих основ з одного полінуклеотиду в ін­ший:

-а-г-ц- -а-ц-ц-

-т-ц-г- -т-г-г-

Трансверсія — це рекомбінація (співвідношення азотистих основ до і після не змінюється), тому змінена ділянка гена — рекон, його довжина у наведеній схемі становить одну комплементарну пару.

Як правило мутації і рекомбінації генів перетворюють природнии «дикии» до- мінантнийГель на мутантний алель рецесивного характеру, тобто переважна біль- Гсть гежв що зазнали змін у власній структурі, є рецесивними, а отже, феноти­пом вони здатні проявитися лише у гомозиготному рецесивному генотипі, вірогід­ність якого мала, так як для його виникнення необхідне одночасне успадкування мутантного гена як від батька, так і від матері. Очевидно, переважна рецесивність мутантних генів є одним із механізмів захисту живими організмами власної спад­кової інформації.

У деяких випадках мутантний алель здатний повертатися внаслідок зворотної мутації (реверсії) у початковий стан.

Для забезпечення основних характеристик клітин і організмів цієї популяції необхідне точне зберігання структури і стабільності генетичного матеріалу впро­довж тисяч і мільйонів років, незважаючи на дію різних мутагенних чинників. Для підтримання стабільної функції ДНК існує кілька механізмів.

По-перше, це висока хімічна стабільність самої молекули ДНК.

По-друге, — наявність спеціальних механізмів самокорекції і репарації (від лат. герагшіо — відновлення) змін, які виникли. Процес репарації ДНК полягає в тому, що генетична інформація подана ДНК двома копіями — по одній у кожному з двох ланцюгів подвійної спіралі ДНК. Завдяки цьому випадкове ушкодження в одному з ланцюгів може бути видалене реплікаційним ферментом, а ушкоджена ділянка ланцюга - ресинтезована у своєму нормальному вигляді за рахунок інформації що міститься в неушкодженому ланцюгу.

40

молекулярні основи спадковості. РЕАЛІЗАЦІЯ спадково! інформації

За часом здійснення у клітинному циклі розрізняють такі види репарації:

• доретікативну — процес відновлення ушкодженої ДНК до її подвоєння, що здійснюється ферментом лігазою або повною ферментативною системою репарації;

• ретікативну — сукупність процесів відновлення ДНК у ході реплікації, суть яких полягає у видаленні ушкодженого ланцюга в зоні його росту; при цьому висо­ка точність реплікації забезпечується ДНК-полімеразою;

• постретікативну — процес вирізання ушкодженої ділянки і зшивання кінців, механізм якого ше до кінця не вивчений. \

/і"^т "«4

»

| Ч - Біосинтез білка. Транскрипція, трансляція

Реалізація генетичної інформації відбувається шляхом матричного біосинтезу білків і здійснюється в два етапи.

Транскрипція — перший етап (від лат. ігатсгірііо — переписування) — синтез рНК на ДНК-матриці. Полягає у переписуванні генетичної інформації з послідов­ності нуклеотидів ДНК на комплементарну послідовність нуклеотидів і РНК.

Особливості транскрипції:

• як матриця використовується лише один ланцюг ДНК;

• транскрибується не вся молекула ДНК, а лише певна ділянка (ген чи група генів);

• у молекулі ДНК є сигнальні послідовності нуклеотидів, які вказують на по­чаток і кінець транскрипції;

• транскрипція каталізується ферментами — ДНК-залежними РНК-полімераза- ми трьох типів: перший — каталізує синтез рРНК, другий — синтез іРНК, третій — синтез тРНК; у мітохондріях існує своя власна РНК-полімераза.

У свою чергу розрізняють три етапи транскрипції:

1. Ініціація (початок синтезу ІРНК) — це приєднання першого нуклеотиду. Пе­ред цим РНК-полімераза розпізнає промотор (ділянка ДНК) і зв'язується з ним. Це зумовлює локальне розходження ланцюгів подвійної спіралі ДНК.

2. Елонгація (нарощування ланцюга іРНК). Фермент послідовно приєднує нук- леотиди до вільної гідроксогрупи рибози, ланцюг РНК синтезується в напрямку 5-3'.

3. Термінація (закінчення синтезу іРНК). При досягненні ферментом терміна- торів (стоп-кодонів) транскрипція припиняється.

Послідовність нуклеотидів іРНК комплементарна такій ДНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г). Після завершення транскрипції і звільнення і РНК двоспіральна структура ДНК відновлюється. У ході термінації відбуваються специфічні процеси процесин- гу і сплайсингу.

Процесинг — молекулярні механізми, пов'язані з «дозріванням» різних типів РНК, яке здійснюється в ядрі перед виходом РНК із ядра в цитоплазму.

Спяайсинг — явище вирізання спеціальними ферментами інтронів і зшивання активних ділянок іРНК — екзонів. Відбувається в процесі «дозрівання» іРНК.

Трансляція — другий етап (від лат. Ггапзіаіїо — переклад) — синтез поліпеп- тидних ланцюгів білків на матриці іРНК; зчитування генетичної інформації і пере­ведення її з послідовності кодонів іРНК у послідовність амінокислот поліпептиду. Роль проміжних молекул (адаптерів) між іРНК-матрицею і поліпептидом у процесі декодування генетичної інформації виконують тРНК.

у процесі трансляції фермент аміно-

ацил-тРНК-синтетаза за участю АТф активує амінокислоту і приєднує її _До акцепторного кінця тРНК. Комплекс тРНК з активованою амінокислотою має назву аміноацил-тРНК (аа-тРНК). Кожна із 20 амінокислот має власну аміноацил-тРНК-синтетазу, яка здатна розпізнавати (рекогніція) певну аміно­кислоту і приєднувати її до відповідної тРНК.

Трансляція відбувається в цитоплаз­мі на рибосомах. Діюча рибосома скла­дається з двох субодиниць — великої і малої, які здатні до дисоціації і самозби- рання. Збирання субодиниць у рибосому відбувається на ІРНК. До кожної ІРНК приєднуються одночасно декілька рибо­сом, які розташовуються вздовж її моле­кули як намистини на нитці. Такий трансляційний комплекс називають полі- рибосомою (полісомою). Його перевага полягає в тому, що на одній молекулі ІРНК може одночасно синтезуватися кілька поліпептидних ланцюгів. Під час трансляції рибосома рухається вздовж ІРНК тільки в одному напрямку (зліва направо), зміщуючись на один триплет. Усередині рибосоми в кожний певний момент знаходиться лише два триплети ІРНК. Рибосома має два центри для зв'язування з тРНК:

• А-центр (аміноацильний) приєднує аміноацил-тРНК;

• П-центр (пептидильний) зв'язаний із тРНК попередньої амінокислоти полі­пептиду, ЩО тут нарощується.

Процес трансляції перебігає у кілька етапів:

/. Ініціація трансляції — початок синтезу. «Шапочка» (метилгуанозин) іРНК зв'язується з малою субодиницею

ми розміщується ініціювальний кодон ІРнГ-АУГ шГнУ™- ^П"^{ЦЄНТРУ РИб}°^С°"

вальній амінокислоті - метіоніну. Отже синтез будь я,!гп^ДП0®^{щає пе}Р^{шій ІН1Ц1Ю}"

ся з метіоніну. В А-нентр рибосоми прибуде другГтРНК з-Г^{ЄПТИДУ П04инаеть}"

^{к у друі а тгм к 3} активованою амінокис- основи спадковості. реалізація спадкової інформації

Г~?тГя°™п™пГ^ОМ^ ^{ЗНаЧУЩ0МУ К0д0н}^ ^{ІРНК Мі}* амінокислота- ми утворює іься пептиднии зв язок.

^ПРрїІ^ВЖЄННЯ ™™ептидното ланцюга. Друга, навантажена, на- приклад ЦРОшніш, тРНК з'єднується з рибосомою на ділянці А (рис 2.4, а, б). Її антикодон зв язується з комплементарним кодоном ланцюга ІРНК. На ділянці П метіонін звільняється вщ своєї тРНК і з'єднується пептидним зв'язком з проліном (рис. 2.4, в), процес каталізує фермент пептидилтрансфераза. У цьому процесі зв язок між першою амінокислотою та її тРНК розривається і - СООН-група пер­шої амінокислоти утворює пептидний зв'язок з вільною - МН,-групою другої амі­нокислоти. Таким чином, друга тРНК уже несе дипептид. Перша тРНК, тепер вільна, відокремлюється від П-ділянки рибосоми і повертається у загальний фонд

тРНК у цитоплазмі (див. рис. 2.4, в). Тут вона знову може зв'язуватися зі своєю амінокислотою.

тРНК-дипептидний комплекс разом з іРНК переміщується в напрямку П-ді­лянки рибосоми (рис. 2.4, г). Цей процес називають транслокацією (від лат. Ігапзіосаііо — переміщення).

Третя молекула тРНК зі специфічною їй амінокислотою, наприклад аргініном, надходить до А-ділянки рибосоми і приєднується своїм антикодоном до компле­ментарного кодону ІРНК (див. рис. 2.4, г). Дипептид метіонін-пролін знову приєд­нує амінокислоту аргінін. У такий спосіб дипептид збільшується до трипептиду. Друга тРНК відокремлюється, залишає ланцюг іРНК, звільняючи П-ділянку. тРНК- трипептидний комплекс переноситься з А-ділянки на П-ділянку.

Увесь процес, шо включає надходження тРНК-амінокислотного комплексу, ут­ворення пептидного зв'язку і транслокацію, багаторазово повторюється. У міру просування іРНК щодо рибосоми всі її кодони переміщуються по А-ділянці один за одним, і пептидний ланцюг зростає. У процесі елонгації беруть участь спеціаль­ні білкові фактори, що регулюють ці процеси.

3. Термінація трапс.гяції — закінчення синтезу. Завершення трансляції відбу­вається, як тільки рибосома досягне одного з кодонів-термінаторів іРНК (УАА, УАГ або УГУ), для яких не існує тРНК. На цій стадії трансляційний комплекс роз­падається: поліпептид відділяється від П-центру, тРНК переходить у вільну форму, рибосома дисоціює на дві субодиниці, здатні надалі до нового самоскладання. Пос­лідовність амінокислот у синтезованому поліпептиді відповідає послідовності ко­лонів іРНК. Після того як поліпептидний ланцюг відділився, він зазнає посттран- сляційної модифікації й утворення властивої йому унікальної просторової конфор­мації (вторинна, третинна і четвертинна структури) білкової молекули. Надалі білки, залежно від функції (ферментативна, структурна, регуляторна, захисна та ін.), здатні забезпечувати морфофізіологічні особливості клітини.

Усі розглянуті вище синтетичні реакції каталізують спеціальні ферменти. Ці реакції потребують енергетичних витрат, які компенсуються реакціями розщеплен­ня АТФ що є універсальною енергетичною речовиною. АТФ під дією ферментів легко втрачає один або два залишки ортофосфатної кислоти; при цьому утворюєть­ся відповідно АДФ або АМФ і вивільняється енергія з розрахунку 40 кДж на один

макроергічний зв'язок.

Генна інженерія. Біотехнологія

Генна (генетична) інженерія — сукупність експериментальних методів, за допо­могою яких переносять гени з одного організму в інший з метою спрямованого надання останньому нових спадкових ознак. Вона включає такі етапи: щ

• одержання генів шляхом штучного синтезу (хімічного, матричного) або шля­хом виділення їх із природних джерел; ,

• г

  ш

  включення гена у векторну молекулу ДНК, тобто створення рекомбінантних молекул ДНК;

^длекушрні основи спадковості. реалізація спадкової інформації

• введення векторної молекули ДНК із включеним геном у реципієнтну клі­тину;

• створення умов для експресії перенесеного гена та його стабільного успадку­вання;

• відбір клітин з діючим перенесеним геном — молекулярне клонування. Роль векторів виконують плазміди, бактеріофаги, деякі віруси, мітохондріальна

ДНК. Найчастіше векторами слугують плазміди. Плазміди — невеликі кільцеві мо­лекули ДНК бактерій, які здатні до автономної реплікації; вони розташовані в ци­топлазмі бактеріальної клітини або інтегровані в її хромосому (ДНК нуклеоїда) і тоді мають назву епісоми. Векторну молекулу ДНК кільцевої форми розрізають ферментами рестриктазами на лінійні фрагменти. Фрагменти векторної ДНК і фрагменти чужорідної ДНК своїми комплементарними («липкими») кінцями здат­ні об'єднуватися в одну молекулу ДНК. Таку молекулу ДНК називають рекомбі- нантною, або гібридною. Фосфодіефірні зв'язки між нуклеотидами утворюються за допомогою ферментів лігаз. Перенесення необхідних генів (трансгеноз) забезпе­чується різними способами — трансформацією (якщо вектор — плазміда), транс­дукцією (вектор — бактеріофаг).

Методами генної інженерії одержані трансгенні організми, тобто організми з чужорідними генами. Трансгенні тварини використовують у біомедицині як моделі тих чи інших захворювань людини (миші з геном раку, свині з патологіями серця, які трапляються у людини, корови з людськими імуноглобулінами в крові). Вирі­шується проблема одержання білків крові людини в молоці трансгенних тварин. Можливі методи лікування спадкових хвороб шляхом перенесення в організм пев­них генів для виправлення генетичних дефектів розробляє генна терапія.

Своїми успіхами генна інженерія значною мірою зобов'язана створенню банків (бібліотек) генів. Банком генів називають набір генів, одержаний на основі реком- бінантних молекул. Створені банки генів дрозофіли, кишкової палички і багатьох інших організмів, у тому числі і людини. Як читач бібліотеки може вибрати потріб­ний том книги з необхідними сторінками, так і генетик може відібрати в бібліотеці генів необхідні для дослідження гени за допомогою спеціально розроблених гене­тичних, біохімічних, радіоізотопних чи імунологічних методів.

Генна інженерія народилася в 1972 р., коли американські генетики П. Берг, Г. Бойер і С. Коен створили першу рекомбінантну ДНК, яка об'єднала у своєму складі генетичний матеріал з трьох різних джерел: повний геном онкогенного віру­су мавпи, частину геному помірного бактеріофага і гени галактозного оперону бак­терії кишкової палички. Проте сконструйована рекомбінантна молекула ДНК не була досліджена на функціональну активність, оскільки в авторів виникли побою­вання, що методи генної інженерії можуть призвести до створення організмів, не­безпечних для здоров'я людини. Втручання в генотип організму може зумовити непередбачувані наслідки для людини, рослин, тварин і довкілля в цілому. Напри­клад, бактерія кишкової палички, нешкідлива в звичайних умовах, може перенести онкогенні віруси тварин у кишки людини. На Міжнародній конференції з біобез- пеки в м. Асиломарі (США) у 1975 р. були розроблені правила, дотримання яких Усуває ймовірність шкідливих наслідків генної інженерії.

Питання біобезпеки — дуже актуальне. Агенти, які спеціально сконструйовані за допомогою генетичних методів для ураження живих організмів, належать до біо­логічної зброї. У 1985 р. на міжнародному рівні створена інформаційна робоча група