19. Структура и функции гена. Особенности структурной организации генов у про- и эукариот. Теория гена

Генетический код – система записи генетической информации в молекуле ДНК (РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов. Этот код служит ключом для перевода последовательности нуклеотидов в и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи при ее синтезе.

Свойства генетического кода:

1.Триплетность – каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов (триплетом или кодоном)

2.Вырожденность – большинство аминокислот шифруется более чем одним кодоном. В ДНК или РНК имеется 4 различных нуклеотида, которые теоретически могут образовывать 64 разных триплета для кодирования 20 аминокислот, входящих в состав белков. Этим и объясняется вырожденность генетического кода.

3.Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов.

4.Специфичность (однозначность) – каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.

5.Код не имеет знаков препинания. Считывание информации с и-РНК при синтезе белка всегда идет в направлении 5, -- 3, в соответствии с последовательностью кодонов иРНК. Если произойдет выпадение одного нуклеотида, то при считывание его место займет ближайший нуклеотид из соседнего кода, из-за чего изменится аминокислотный состав в молекуле белка.

6.Код универсален для всех живых организмов и вирусов: одинаковые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты.

Универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всех живых организмов. Среди триплетов универсального генетического кода три кодона не кодируют аминокислоты и определяют момент окончания синтеза данной полипептидной молекулы. Это так называемые «nonsens» кодоны (стоп-кодоны или терминаторы). К ним относятся: в ДНК – АТТ, АЦТ, АТЦ; в РНК – УАА, УГА, УАГ.

Классификация генов

Гены, как единицы функции наследственного материала, разделяются на структурные, регуляторные и гены-модуляторы.

Структурные гены содержат информацию о структуре белка (полипептидов) и РНК (рРНК и тРНК), при этом генетическая информация реализуется в процессе транскрипции и трансляции или только транскрипции.

Жизнедеятельность клеток обеспечивается небольшим набором функционирующих генов, среди них различают гены общеклеточных функций и гены специализированных функций.

Регуляторные гены (ген-регулятор лактозного оперона), координируют активность структурных генов на уровне клетки, а также дерепрессию и репрессию генов на уровне организма.

Гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов, изменяя их функциональную активность.

Структурная организация генов у прокариот

Гены организованы в виде независимых генов, транскрипционных единиц и оперонов.

Независимые гены состоят из непрерывной последовательности кодонов, они постоянно экспрессированы и не регулируются на уровне транскрипции (ген-регулятор лактозного оперона).

Транскрипционные единицы - группы разных генов, которые связаны функционально и транскрибируются одновременно, что обеспечивает в последующем одинаковое количество синтезируемых продуктов. Обычно это гены белков или нуклеиновых кислот (у кишечной палочки в составе одного из транскриптонов находятся два гена т-РНК, три гена р-РНК).

Оперон - это группа структурных генов, следующих друг за другом, находящихся под контролем оператора – определённого участка ДНК.

Оперонная организация структурных генов бактерий

Он состоит из:

1. Промотор - участок ДНК, с которым происходит связывание РНК-полимеразы и который определяет точку начала транскрипции. Типичный пример - TTGACA - 17 bp - TATAAT. В зависимости от типа промотора (а точнее, от типа распознающей его сигма - субъединицы РНК полимеразы) конкретная последовательность промотора варьирует.

2. Оператор - участок связывания регуляторного белка. Размер - около 20 bp. Располагается в непосредственной близости к промотору или же перекрывается с ним. В случае негативных регуляторов, или репрессоров, оператор, как правило, располагается непосредственно за промотором, или перекрывается с ним. В случае позитивных регуляторов (активаторов) оператор обычно располагается перед промотором.

Связывание регуляторного белка с оператором меняет частоту инициации транскрипции. У многих (возможно, у большинства) оперонов имеется не один, а несколько сайтов связывания с регуляторными белками, которые не обязательно располагаются рядом и могут вообще находиться по разные стороны от промотора. В этих случаях термин "оператор" в классическом смысле становится неудобным, в связи с чем сейчас чаще просто говорят о сайтах связывания регуляторов.

3. Структурные гены. Кодируют белки, непосредственно производящие фенотипический эффект. Именно для контроля их экспрессии, собственно, и существуют оперонные структуры вместе со своими регуляторами.

4. Терминатор транскрипции. Здесь заканчивается синтез мРНК.

Не входит в оперон, но является необходимой частью регуляторной системы ген-регулятор, кодирующий регуляторный белок, связывающийся с оператором. Ген-регулятор может находиться рядом с контролируемым им опероном, но часто располагается совсем в другом участке хромосомы. Почти всегда у гена-регулятора свой промотор и терминатор.

В регуляции участвуют, как правило, и низкомолекулярные вещества-эффекторы, являющиеся либо индукторами, либо корепрессорами структурных генов.

В зависимости от влияния на их работу низкомолекулярных молекул-эффекторов различают индуцибельные и репрессибельные (-руемые) опероны. В зависимости от эффекта связываниярегуляторного белка с оператором опероны могут иметь негативный или позитивный контроль. Т. о.,можно выделить четыре типа оперонов.