Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_61_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
Гени "розкоші" – гени термінального диференціювання, які визначають
специфічні властивості клітин в певних тканинах, кодують білки, характерні
для зрілих, функціонально активних клітин, наприклад, гемоглобін в
еритроцитах.
4.7. Властивості гена: алельність, постійність, специфічність,
градуальність
Основні властивості гена – дискретність (цілісність), алельність і
постійність.
Дискретність виявляється у характері дії гена, в успадкуванні
ознаки, обумовленої даним геном. Він визначає розвиток ознаки чи
властивості організму. На молекулярному рівні дискретність
виявляється дією ферменту РНК-полімерази, яка впізнає межі гена, у
створенні цим ферментом РНК-копії гена і у можливості
комплементарного з’єднання такої РНК з ДНК ге
на.
Алельність гена чітко проявляється при аналізі успадкування
ознак у гібридів, коли прояв ознаки залежить від алельного стану
гена, тобто його домінантності, рецесивності та іншого стану. Алелі
– різні форми того самого гена.
Постійність гена підтверджується стабільністю нуклеїнових
кислот, що відображається в стабільн
ості фенотипових показників.
Мутації генів, які виникають на певних відрізках часу, не порушують
закон про постійність гена, а по суті, підтверджують його, оскільки
нові мутантні форми до чергової рідкісної мутації зберігаються без
змін.
Із загальних властивостей гена випливають його специфічні
властивості. Так, один ген може впливати одночасно на перебіг
різних реакцій і розвиток багатьох ознак і властивостей організму,
таким чином діяти множинно; це явище має назву плейотропного
ефекту гена.
З іншого боку гени мають здатність до сумісного визначення
однієї ознаки кількома генами (це – полімерна, або полігенна дія).
Специфічною властивістю гена є його градуальність, яка
виражається в ефекті його дози, тобто нагромадження певної дози
гена в соматичних клітинах може призвести до посилення чи
послаблення прояву ознак.
Ген характеризується також власти
востями модифікувати дію
інших генів. Крайня форма такого впливу – здатність до
епістатичної дії, або супресії, коли спостерігається повна
пригнічуююча дія другого неалельного гена.
Особливою властивістю гена є здатність деяких алелів викликати
загибель організму (летальна дія гена), а також мутації інших генів
(мутаційна дія гена).
101
https://t.me/medicina_free
Лабораторна робота теми 4: Молекулярні основи спадковості
Лабораторна робота 4.1. Будова ДНК та РНК
Мета заняття: Вивчення хімічного складу і будови нуклеїнових
кислот.
Матеріали та обладнання: Схеми будови окремих нуклеотидів ДНК
та РНК, лівозакрученої та правозакрученої ДНК.
Методичні вказівки: Замалюйте схеми будови ДНК та РНК і
опишіть їх функції. Вивчіть правила комплементарності азотистих основ
Чаргаффа.
Спадковість, тобто здатніст
ь передавати свої ознаки і особливості
нащадкам, обумовлена передаванням з покоління в покоління генетичної
інформації. Матеріальними носіями спадкової інформації є нуклеїнові
кислоти. Існує два типи нуклеїнових кислот – дезоксирибонуклеїнова
кислота (ДНК), яка знаходиться, в основному, у ядрі, і рибонуклеїнова
кислота (РНК), яка знаходиться як в ядрі, так і в цитоплазмі клітини. У всіх
живих істот носієм спадкової інформації є ДНК, хоча в деяких вірусів
носієм спадкової інформації є РНК.
Структура молекули ДНК і її реплікація
Молеку
ла дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) складається з двох
спірально закручених антипаралельних полінуклеотидних ланцюгів.
Мономерами ДНК є нуклеотиди, кожний з яких складається з трьох
складових частин:
1. Цукор – дезоксирибоза;
2. Залишок фосфорної кислоти;
3. Одна з чотирьох азотистих основ (аденін, тимін, гуа
нін,
цитозин).
Аденін і гуанін належать до пуринів, а тимін і цитозин – до
піримідинів.
Нуклеотиди в молекулі ДНК з‘єднані в ланцюжок шляхом утворення
фосфо-диефірних зв‘язків між дезоксирибозою одного нуклеотиду і
залишком фосфорної кислоти іншого нуклеотиду.
102
https://t.me/medicina_free
Між азотистими основами ланцюгів ДНК утворюються
комплементарні водневі зв‘язки. Аденін з‘єднаний з тиміном двома
зв‘язками, а гуанін з цитозином – трьома.
Рис. 4.1. Антипаралельні комплементарні ланцюги ДНК
Просторово ДНК скручується в спіраль. На сьогодні відомі 4 різні
форми спіралі (A, B, C, Z) ДНК, які характеризуються напрямком, числом
пар в одному витку, кутом нахилу основ, діаметром. Найбільш
розповсюдженою є правозакручена В-форма, описана Уотсоном і Кріком.
А-форма уявляє собою висушену В-форму. Z-форма характерна для деяких
ділянок ДН
К при кросинговері.
Ланцюги один по відношенню до іншого антипаралельні (навпроти
3‘- кінця одного ланцюга розташований 5‘-кінець другого). Саме завдяки
наявності антипаралельних комплементарних ланцюгів здійснюється
переписування (реплікація) і передача спадкової інформації дочірнім
клітинам, у тому числі гаметам, а через них – наступним поколінням.
Реплікація (лат. Replication – відбивати, англ. Replication – копіювання)
ДНК відбувається в синтетичний (S) період інтерфази. Кожний з ланцюгів
материнської молекули є матрицею для дочірньої. Механізм реплікації
називають напівконсервативним, оскільки після реплікації синтезован
а
молекула ДНК містить одну материнську молекулу і одну дочірню. У
еукаріотів реплікація починається в декількох точках-ori (орі, оріджин від
англійського origin – початок), розташованих на відстані 20 т.п.н. (тисяч
пар нуклеотидів). Швидкість реплікації у еукаріотів – 10 – 100 п.н. в
секунду. У прокаріотів, у ДНК мітох
ондрій та хлоропластів існує лише
одна точка початку реплікації та один реплікон (ділянка ДНК між двома
точками ori).
Початок реплікації активується праймерами (затравками), які
складаються з 100 – 200 рибонуклеотидів. Синтез праймерів здійснює
фермент – праймаза. Ланцюги ДНК синтезуються в результаті приєднання
5‘-дезоксинуклеотидильних одиниць дезоксирибонуклеозидтрифосфатів
до 3‘-гідроксильного кінця праймеру. Таки
м чином, синтез відбувається у
напрямку 5‘ – 3‘ вздовж матричного ланцюга, який орієнтований у
103
https://t.me/medicina_free
протилежному напрямку 3‘ – 5‘. Реплікативна галузка (вилка) – частина
молекули ДНК, яка вже розплелась і є матрицею для синтезу дочірньої
ДНК. У ході реплікації реплікативна галузка переміщується вздовж
молекули ДНК. Ріст відстаючого ланцюга йде у напрямку від 5‘ до 3‘
кінця, в напрямку, протилежному руху реплікативної вилки переривчасто.
Для синтезу відстаючого ланцюга відбувається синтез великої кількості
коротких ланцюгів – фрагментів Оказ
аки (їх розмір – 1000 – 2000
нуклеотидів у прокаріотів і 100 – 200 у еукаріотів).
Рис. 4.2. Схема напівконсервативного механізму реплікації
Рис. 4.3. Схема реплікації, ферменти, які приймають у ній участь
Механізми ініціації реплікації в точці початку реплікації та за
утворення фрагментів Оказаки у відстаючому ланцюгу аналогічні. В двох
випадках утворюються короткі РНК-затравки (праймери),
комплементарні матричній ДНК, які дають вільний 3‘-гідроксильний
кінець для синтезу нового ланцюга ДНК (в подальшому РНК-за
травки
заміняються на ДНК з утворенням неперервної ДНК).
Елонгація – комплементарний синтез основ на матриці ДНК за
допомогою ферментів ДНК-полімераз. Окрім РНК- та ДНК-полімераз у
реплікації беруть участь інші ферменти. Так, помилка у реплікації
призводить до припинення росту ланцюга. Для з‘єднання обірваних
ланцюгів ДНК використовуються ДНК-лігази (вони необхідні тако
ж для
104
https://t.me/medicina_free
з‘єднання ланцюгів ДНК за репарації і обміні ділянками між
гомологічними хромосомами – рекомбінації). Лігази здатні утворювати
фосфодиефірні містки між 5‘-фосфорильною і 3‘-гідроксильною групами
сусідніх дезоксинуклеотидів у місцях розривів ДНК.
Для реплікації ДНК повинна розкручуватися і розплітатися. В цьому
процесі задіяні два ферменти:
ДНК-гелікази – викликають локальне розкручування. Інші білки
зв‘язуються з одноланцюговою ДНК і її стабілі
зують. Розкручування ДНК
призводить до додатної спіралізації і з часом відбувається ускладнення
просування реплікативної вилки і її блокування. Це блокування усувається
за рахунок внесення одноланцюгових розривів ДНК-топоізомеразами і
розкручування.
Крім розглянутого механізму відомий ще один тип реплікації ДНК –
за методом "кільця, що котиться". За цим методом реплікуються кільцеві
ДНК деяких фагів, вірусів, мітохондрій, плазмід.
Термінація реплікації – завер
шення процесу синтезу ДНК. У
лінійних молекулах ДНК вона ускладнена неможливістю ДНК-полімерази
подовжувати ланцюг на 5‘-кінці в районі теломери. Після видалення РНК-
праймера в районі теломер утворюються пробіли, які неможна заповнити
за допомогою ДНК-полімерази. На сьогодні відомо, що теломери
реплікуються за допомогою особливого механізму. Кінці хромосом
дріжджів, безхребетних, рос
лин, хребетних мають подібну будову вони
містять шпилькоподібні структури, в яких 3‘ і 5‘ – кінці дуплексу ДНК
виявляються поряд і мають багато тандемних повторів. Паліндром –
послідовність, яка читається однаково при русі вдовж "+" ланцюга в
одному напрямку та вздовж "–" ланцюга в протилежному напрямку. Біля
петлі в одному з ланцюгів в області повторів утворюються множинні
одноланцюгові розриви. Остаточно мех
анізм термінації реплікації в
районах теломер не визначений.
Реплікація геномів ретровірусів, представлених єдиною молекулою
одноланцюгової РНК здійснюється шляхом зворотної транскрипції.
Спочатку утворюється дуплекс РНК-ДНК, а потім дволанцюгова ДНК. Ці
етапи передують експресії вірусних генів і утворенню РНК-геномів.
Фермент, що ка
талізує комплементарне копіювання РНК з утворенням
ДНК, називається зворотною транскриптазою. Він міститься в
ретровірусних частинках і активізується після потрапляння у клітину
вірусу і руйнування його глікопротеїнової оболонки.
Структура молекули рибонуклеїнової кислоти (РНК)
Молекула рибонуклеїнової кислоти (РНК) – полімер, мономерами
якого є рибонуклеотиди. Структура нуклеотидів РНК подібна до ДНК, але
існують пе
вні відмінності:
замість дезоксирибози нуклеотиди РНК містять рибозу;
азотисту основу тимін заміщає урацил;
105
https://t.me/medicina_free
молекула РНК представлена в переважній більшості випадків одним
ланцюгом (лише у деяких вірусів РНК дволанцюгова, подібна до А-
форми ДНК).
Вміст РНК у будь-яких клітинах в 5–10 разів перевищує вміст ДНК.
Основна роль РНК – трансляція генетичної інформації з утворенням
білків. Молекули РНК також беруть участь у здійсненні деяких
спеціалізованих ендонуклеазн
их реакцій, що регулюють експресію генів, в
організації інтерфазного ядра, в утворенні факультативного
гетерохроматину (тільця Барра). Молекулами РНК представлені геноми
деяких вірусів (ретровірусів і великої кількості вірусів тварин, рослин, з
одно- та дволанцюговими геномами).
В усіх клітинах присутні такі види РНК: рибосомна РНК (рРНК),
транспортна (тРНК) і інформаційна, або матрична, РНК (мРН
К, іРНК).
Більшість клітин містять також багато малих ядерних РНК (мяРНК).
Близько 80 % маси клітинних РНК – три або чотири види рРНК, а близько
15 % – майже 100 видів тРНК. На частку декількох тисяч різних мРНК
припадає менш ніж 5 % клітинної РНК, а на частку малих ядерної і
цитоплазматичної РНК, число видів котрих поки невідомо – менше 2 % від
загальної кількост
і. Інформаційна РНК є копією певної ділянки ДНК,
виконує роль посередника в перенесенні генетичної інформації від ДНК до
білка (ДНК-РНК-білок), на ній відбувається синтез білка на рибосомах.
Транспортні РНК переносять амінокислоти за синтезу білка. Рибосомальна
рибонуклеїнова кислота (рРНК) входить до складу рибосом. Вважають, що
рРНК за
безпечує певне просторове розміщення іРНК та тРНК.
Завдання
Завдання 1. Зобразіть схему хімічної будови ДНК.
Завдання 2. Зобразіть схему хімічної будови РНК.
Завдання 3. Зобразіть схему будови т-РНК, позначте її основні
частини.
Завдання 4. Зробіть висновки про відмінності в будові та функціях
між ДНК та РНК. Оформіть висновки у відповідну таблицю в робочому
зошиті.
Завдання 5. Нарисуйте схему нуклеотидів, що входять до складу
ДНК.
Завдання 6. Опишіть типи РНК, вк
ажіть їх роль у передачі і реалізації
спадкової інформації.
Завдання 7. Напишіть послідовність нуклеотидів ДНК, комплемен-
тарну до фрагмента ДНК за індивідуальним завданням викладача.
Завдання 8. Опишіть правила комплементарності азотистих основ
Чаргаффа.
106
https://t.me/medicina_free
Лабораторна робота 4.2. Реплікація
Мета заняття: Ознайомлення з основними етапами реплікації.
Матеріали та обладнання: таблиці, схеми реплікації та реплікатив-
ної вилки.
Методичні вказівки: Розгляньте основні закономірності й етапи
реплікації. Замалюйте схему реплікації. Позначте на реплікативній вилці
напрями синтезу ДНК, фрагменти Оказаки, праймери, вкажіть відстаючий,
ведучий ланцюг.
Спадкова інформація, записана в ДНК, реалізується через іРНК до
білка. Цей шлях Ф. Крік назвав "Центральною догмою молекулярної
біології". Довгий час вв
ажалося, що передача спадкової інформації у
зворотному напрямку є неможливою. У 1970 році Г. Тімін і С. Музатані
відкрили явище зворотної транскрипції. За допомогою ферменту зворотної
транскриптази (ревертази) у РНК-вмісних вірусів генетична інформація
передається від РН
К до ДНК. У 1975 році Р. Дульбекко, Г. Тімін,
Д. Балтімор описали подібне явище в клітинах амфібій. Виходячи з цього,
центральна догма молекулярної біології може бути представленою у
вигляді схеми як на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Центральна теорія молекулярної генетики про реалізацію
спадкової інформації
Подальші дослідження встановили, що гени еукаріотів являють собою
чергування кодуючих поліпептидний ланцюг змістовних ділянок – екзонів
і некодуючих, беззмістовних – інтронів. Першочергово утворена шляхом
транскрипції про-іРНК має копії як екзонів, так і інтронів. Але потім з цієї
про-іРНК видаляються ділянки, які відповідають інтрон
ам – відбувається
107
https://t.me/medicina_free
їх вирізання – сплайсинг. Змістовні фрагменти – екзони зшиваються між
собою. Крім сплайсингу відбувається також пришивання полі-А хвоста в
кінцевій ділянці іРНК та приєднання кепу – метилгуаніну на початку іРНК.
Виникає вторинний транскрипційний продукт – іРНК або матрична, котра
направляється в цитоплазму для синтезу білка.
Ген – функціональна одиниця спадкового матеріалу. Вивчення
геномів різних організмів виявил
о, що одна і та сама ділянка ДНК може
кодувати декілька різних білків. При цьому утворюються різні мРНК
шляхом альтернативного сплайсингу, тобто з одного і того ж первинного
РНК-транскрипту вирізаються різні ділянки – інтрони. В результаті різні
мРНК, контролюють синтез різних поліпептидних ланцюгів. В останні
роки знайдені гени, які входять у структуру інтронів інших генів (ген у
гені). На основі даних по секв
енуванню (визначенню послідовності
нуклеотидів) стало зрозумілим те, що у геномі людини близько 26 тисяч
генів, а не 70000 – 100000, як вважали раніше. Завдяки альтернативному
сплайсингу число білкових продуктів у 1,5 – 2 рази більше, ніж число
генів.
З точки зору молекулярної біології ген – одиниця транскрипції.
Синтез РН
К, кодованої геном, називається експресією гена.
Схема організації типового гена наведена на рис. 4.5.
Рис. 4.5. Схема будови гена
Кожний ген складається з регуляторної частини (промотору), після
якої знаходиться точка початку транскрипції кодуючої частини, на якій
записана інформація про структуру білка і термінуючої частини, де
завершується транскрипція. Транскрипція відбувається лише з дволанцю-
гової ДНК. Навіть якщо геном, як у деяких вірусів, представлений
одноланцюговою ДНК, вона перед транскрипцією обов‘язково переходит
ь
у дволанцюгову реплікативну форму.
До промотора приєднується фермент ДНК-залежна РНК-полімераза,
що здійснює транскрипцію. Кодуюча ділянка гена переписується на РНК, і
закінчується термінуючою ділянкою. Деякі гени регулюються енхансерами
– посилювачами транскрипції, які знаходяться на певній відстані від гена
(до 1000 пар нуклеотидів), а також аттеньюаторами, які пригнічують
транскрипцію.
108
https://t.me/medicina_free
Трансляція іРНК
Біосинтез білка здійснюється шляхом трансляції іРНК.
Трансляція (від лат. translatio – передача, переписування) – процес
декодування мРНК, в результаті якого інформація з мови послідовності
основ мРНК переводиться на мову амінокислотної послідовності білка.
Синтез білка здійснюється шляхом послідовної поліконденсації
окремих амінокислотних залишків, починаючи з аміно-(N)-кінця поліпеп-
тидного ланцюга, у напрямку до карбоксильного (С)-кінця. Декодування
мРН
К відбувається відповідно у напрямку 5‘-3‘. Трансляція відбувається
за допомогою рибосом – структур, локалізованих у еукаріотів на ендоплаз-
матичному ретикулюмі (розгалудженій внутрішньоклітинній мембранній
сітці) в цитоплазмі. У прокаріотів немає певного місця знаходження
рибосом.
Рибосоми складаються з 50 білків і 3 – 5 молекул рРНК, які розріз-
няються за молекулярною масою. Розмір рибосом звичайно позначають у
коефіцієнті седиментації – одиниця
х Сведберга (S), що відбивають
швидкість осадження за центрифугування. Усі рибосоми складаються з
двох субодиниць. У еукаріотів гени рРНК тандемно повторюються в
сотнях і навіть тисячах копій в районі ядерцевого організатора певних
хромосом.
Рис. 4.6. Схема трансляції
Особливості і відмінності про- і еукаріотичних іРНК
У прокаріотів частина іРНК є поліцистронними, тобто містять
послідовності, що копіюють декілька поліпептидів. Тому такі іРНК містять
серію старт (ініціюючих) – і стоп (термінуючих) – кодонів.
На 5‘-кінці знаходиться лідерна послідовність, яка складається з
декількох сотень пар нуклеотидів, розташована перед першим старт-
кодоном. Між окремими цистронами знаходяться спей
сери (від англ. spaser
–прокладка). Стоп-кодони іноді дублюються, наприклад – УАА і УАГ. На
3‘-кінці після останнього стоп-кодону розташований трейлер (від англ.
treiler – причеп) некодуюча послідовність.
109
https://t.me/medicina_free
У еукаріотів іРНК мають більш тривалий період напіврозпаду (6
годин і більше). Особливо стабільні рРНК у диференційованих клітинах,
що синтезують спеціальні білки. У еукаріотів не знайдено оперонної
організації, кожному гену відповідає своя індивідуальна іРНК.
Стартовим кодоном служить АУГ і ніколи ГУГ. На 5‘-кінці іРНК
еукаріотів знаходиться кеп (від англ. cap – ковпачок), а на 3‘-кінці –
"хвіст". Приєднання ке
пу і хвоста відбувається під час дозрівання проРНК.
Кеп являє собою гуанозин, атом вуглецю якого в 7-му положенні несе
метильну групу СН
3
. Утворений 7-метилгуанозин приєднується до 5‘-кінця
попередника. Найближчі до 5‘-кінця рибози також можуть бути
метильовані. Вважається, що "кепування", відбувається в цитоплазмі після
початку синтезу РНК-попередника, захищає іРНК від руйнування
клітинними нуклеазами і сприяє його розпізнаванню рибосомами. "Хвіст"
є послідовністю з 20 – 200 аденілових нуклеотидів. Вважається, що
поліаденілювання підвищує стабільність РНК.
Рис. 4.7. Схема процесингу РНК еукаріотичного гена
Таким чином, після транскрипції, яка у еукаріотів відбувається в ядрі,
матрична РНК зазнає дозрівання (процесингу), яке полягає в приєднанні
кепу, полі-А хвоста, а також, оскільки гени еукаріотів можуть містити
інтрони (некодуючі ділянки), під час процесингу відбувається сплайсинг
– вирізання інтронів і зшивання екзонів (кодуючих ділянок). Зріла мРНК
110
https://t.me/medicina_free
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана