Молекулярнi основи генетичного коду. "Вироджений" код, "беззмiстовнi" триплети та їх значення. Молекулярнi механiзми точкових мутацiй та їх значення .

Генетичний код (біологічний код) - це спосіб запису інформації про амінокислотну по­

слідовність білків за допомогою послідовності нуклеотидів в ДНК (або РНК). Він являє собою

комбінацію 3 мононуклеотидів ДНК (або РНК), що відповідає за включення певної амінокис­

лоти в поліпептидний ланцюг. Ген - ділянка молекули ДНК, що несе цілісну інформацію про

будову однієї молекули білка чи однієї молекули РНК.

Джордж Гамов (1954 р.) - вперше висунув триплену теорію генетичного коду. В 1961 р.

генетичний код був розшифрований американським біохіміком Маршалом Ніренбергом (1968

р. - Нобелевська премія).

Властивості генетичного коду

1. Триплетність: одна амінокислота в білковій молекулі кодується триплетом (кодоном) -

комбінацією 3 нуклеотидів молекули ДНК (РНК). Кодони УАА, УАГ, УГА є термінуючими,

тобто не кодують амінокислоти, а слугують сигналами припинення синтезу білка.

2. Універсальність: всі види живих організмів мають однаковий генетичний код, що вказує на

їх походження від одного попередника.

3. Виродженість: одна амінокислота може кодуватись кількома кодонами (від 2 до 6), за виня­

тком метіоніну і триптофану, які кодуються тільки 1 кодоном.

Виникає питання - чому кодон складається із 3 мононуклеотидів? Це можна пояснити та­

ким чином: існує 20 протеїногенних амінокислот і лише 4 види азотистих основ (А, Г, Т, Ц),

що входять до складу мононуклеотидів. Якщо б кодон складався з:

• 1 нуклеотиду, то кодувалось би лише 4 амінокислоти (4і =4, де 4 - це кількість

мононуклеотидів);

• 2 нуклеотидів, то кодувалось би лише 4 =16 амінокислот;

• 3 нуклеотидів, то можливі 4 =64 комбінації, що набагато більше, ніж потрібно для ко­

дування 20 амінокислот. Ось чому 1 амінокислота може кодуватись декількома колона­

ми.

Із 64 кодонів - 61 кодує амінокислоти і 3 є термінальними (сигнали закінчення синтезу бі-

лку).

4. Специфічність: кожний кодон кодує тільки певну амінокислоту.

5. Односпрямованість: код є інформативним, коли інформація зчитується в напрямку 5'-З'.

6. Безперервність: між кодонами немає розділових знаків і зчитування інформації відбуваєть­

ся безперервно.

7. Код не перекривається: після зчитування інформації з одного триплету рамка зчитування

зсувається на наступний триплет, з якого далі відбувається зчитування інформації.

8. Колінеарність: послідовність кодонів в зрілій мРНК відповідає послідовності амінокислот в

поліпептидному ланцюгу. В останній час доведено, що у зрілій мРНК зустрічаються інгронні

(неінформативні) ділянки, тому повна відповідність між послідовністю кодонів мРНК та послі­

довністю амінокислот не досягається. Отже ця властивість генетичного коду зараз спростована.

Регуляцiя матричного синтезу білка у прокаріотів за схемою Жакоб і Моно. Оперон

Експресія генів - це процес реалізації інформації, закодованої в генах, що складається з двох основних стадій —основних стадій — транскрипції та трансляції. Результатом експресії генів є синтез певних білків. Регуляція експресії генів у прокаріот. Здійснюється на рівні транскрипції.

Виділяють регуляцію двох типів:

І. По типу індукції. Розглянемо на прикладі лактозного оперону (Ьас-оперону), робота якого вивчена на Е.соїі французькими вченими Жакоб та Моно в 1961 р. У Е.соїі лактозний оперон відповідає за синтез ферментів, що метаболізують лактозу. Перед промотором знаходиться ген- регулятор, який забезпечує син­ тез активного білка-репресора. У випадку, коли в поживному середовищі Е.соїі немає лактози (наприклад, середовище з глю­ козою), активний репресор з’єднується з геном- оператором, що заважає РНК- полімеразі рухатись до струк­ турних генів та здійснювати їх транскрипцію, тому не утворюється мРНК і, відповідно, не син­ тезуються ферменти, що метаболізують лактозу. Однак, якщо в середовище Е.соїі внести лак­ тозу, то Ьас-оперон «включається в роботу». Лактоза сполучається з білком-репресором та ін- активує його, неактивний репресор від’єднується від гена-оператора і РНК-полімераза транс- криптує структурні гени, внаслідок чого утворюється мРНК та синтезуються ферменти, що розщеплюють лактозу (р-галактозидаза). Коли лактоза зникає з середовища, робота Ьас- оперону припиняється. Отже, лактоза виступає індуктором синтезу ферментів власного мета­ болізму (явище індукції).

II. По типу репресії. Розглянемо на прикладі гістидинового оперону, який забезпечує синтез ферментів, що утворюють амінокислоту гістидин. Ген-регулятор синтезує неак­ тивний білок-репресор, який за від­ сутності в середовищі гістидину не взаємодіє з оператором і тому від­ сутні перешкоди для руху РНК- полімерази до структурних генів, їх транскрипції, синтезу мРНК та від­ повідно білків-ферментів, які забез­ печують синтез амінокислоти гісти­ дину. Коли в середовищі накопичу­ ється гістидин, він зв’язується з білком-репресором і активує його (тобто виступає ко-репресором). Активний білок-репресор сполучається з оператором, що викликає порушення руху РНК- полімерази до структурних генів. Пригнічується транскрипція останніх (гени зарепресовані), синтез мРНК і відповідно ферментів, необхідних для синтезу гістидину.

Оперон:

1. Р - промотор: до нього приєднуються фактори ініціації транскрипції і РНК-полімераза. Для

ініціювання транскрипції важливими є такі шестинуклеотидні послідовності (бокси) промото­

рів:

■ «-35-послідовність» ТТГАЦА, яка знаходиться на 35 нуклеотидів «вліво» в напрямку 5'-

кінця від точки ініціації («0-точки»). До цієї послідовності приєднується о-субодиниця

РНК-полімерази;

19

■ «-10-послідовність» - бокс Прибнова (ТАТА-сайт) - послідовність ТАТААТ, яка знахо­

диться на 10 нуклеотидів вліво від «0 точки». В цій ділянці відбувається розплітання

двох ланцюгів ДНК і кодуючий ланцюг стає доступним для каталітичних сайтів РНК-

полімерази.

2 - оператор: з ним зв’язуються регулятори транскрипції.

3. - структурні гени: несуть інформацію про послідовність амінокислот в поліпептиді.

4. Т - термінатор: несе інформацію про припинення синтезу пре-РНК.

В еукаріотичному транскриптоні на відміну від прокаріотичного замість оператора виді­

ляють акцепторну зону (А), до якої приєднуються регулятори транскрипції.

Генна інженерія: клонування, синтез ферментів, гормонів, інтерферонів. Рекомбінантні ДНК

Генна інженерія (техніка рекомбінантних ДНК) - це сукупність прийомів, які дозво­ ляють шляхом екпериментальних операцій in vitro переносити генетичний матеріал від одного організму в інший. Біомедичне значення генної інженерії

1. Отримання біомедичних препаратів: гормонів (інсуліну, гормону росту, соматостатину), противірусного препарату інтерферону, вакцин (проти гепатиту В), факторів згортання кро­ ві, інтерлейкінів та ін.

2. Діагностика спадкових захворювань (таласемії, серповидноклітинної анемії, муковісцидозу та ін.) 3. Лікування вроджених патологій. З цією метою шляхом прямого введення генів в геном ор­ ганізму можна виправляти спадкові дефекти.

Принципи генної інженерії

1. Отримання необхідного гену.

2. Сполучення отриманого гену та векторної молекули (найчастіше це плазміда Е.соїі) з утво­ ренням рекомбінантної ДНК (векторна моле­ кула захищає отрима­ ний ген від пошкод­ жуючого впливу ДНКаз, а також направляє ген в певне місце). З цією метою векторну молекулу та необхідний ген спочат­ ку обробляють рест- риктазою певного виду, яка розрізає їх і утво­ рює липкі комплемен­ тарні кінці. Потім об­ робляють ДНК- лігазою, яка зшиває липкі кінці векторної молекули та гену з утворенням рекомбінантної ДНК.

3. Введення рекомбінантної ДНК в клітину господаря.

4. Клонування клітин з метою отримання великої кількості копій необхідних генів, або продуктів їх експресії - білків.

5. Виділення необхідних генів або білків.