Лекция №1.

Биология. Человек. Медицина.

Биология – совокупность естественных наук о жизни, как особом явлении природы. Предметом изучения служит: строение, функционирование, индивидуальное и историческое развитие организмов, взаимоотношение их друг с другом и с окружающей средой. Термин БИОЛОГИЯ был предложен Ж.-Б. Ламарком и Тревераниусом в 1802г.

Современная биология включает множество направлений, имеет собственную терминологию, специфические и общие методы изучения объектов. Методы наблюдения: описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный. Эксперимент обеспечивает глубокое проникновение в сущность явления. Блестящий экспериментатор И.П.Павлов говорил: «наблюдение собирает то, что ему представляет природа, опыт же берёт у природы то, что он хочет». К новым методам исследования современной биологии относится метод моделирования какого-либо процесса или явления, при этом могут быть воспроизведены такие крайние положения, которые не всегда могут воссоздаваться на живом объекте.

Стремление человека познать живую природу всегда было вызвано…

В древности заложены основы ботаники, 300 до н.э. Теофраст.

Зоологии – Аристотель

350 лет до н.э. Ж.Б.Ламарк 1809г выступил с первой концепцией эволюции.

1838-39г.г. Шванн и Шлейден основоположники клеточной теории строения живого вещества.

Вирхов 1858г обосновал универсальный принцип преемственности клетки путём их деления.

1859г Ч.Дарвин объяснил процессы развития и становления вида и вскрыл механизм эволюции.

В последней четверти 19 века наибольшее становление генетики человека внёс английский биолог Гальтон (1822-1911): первым поставил вопрос о наследственности человека, как предмете для изучения, он ПЕРВЫМ стал применять близнецовый, гениологический методы и ряд статистических методов для изучения изменчивости и наследственности человека.

Но, несмотря на большой вклад Гальтона, основоположником генетики является Грегор Мендель, который в 1865г сформулировал основные законы наследования признаков.

Существенный вклад в изучение проблемы генетики человека внёс Гаррод – выдающийся английский клиницист, хорошо знавший биологию и биохимию. На примере заболевания аутаттонурия он доказал взаимосвязь между генами и ферментами и вскрыл механизмы врождённых нарушений обмена веществ. Используя генетико-биохимические подходы к изучению болезни человека, он заложил основы молекулярной патологии. Начало 20 века ознаменовалось открытием в изучении биосферы и ноосферы, этим занимался великий русский учёный В.И.Вернадский, именно это его учение до сих пор изучается всеми студентами. 1869г считается становление науки, которая называется экологией, и основоположником этого термина является Геккель.

Самое важное открытие середины 20 века – 1953г установление структуры ДНК Уотсон и Крик, которые в 1961г, которые за это будут удостоены Нобелевской премии.

Далее учёные использовали в качестве объектов микроорганизмы, как модель, на которой проводились изучения. Благодаря этому расшифровали генетический код, химическую природу гена, механизм реакции матричного синтеза нуклеиновых кислот. Передача наследственной информации идёт только через биосинтез соответственного белка.

В наше время биология – комплексная наука, ведущее положение в которой занимает химико-физическое направление. На современном этапе биология – это учение о жизни, о её возникновении, о процессах, которые происходят в живых телах.

Жизнь не определяется и не характеризуется постоянным химическим составом и определённой материальной структурой, как известные неорганические тела (минералы и кристаллы). В живых телах происходят процессы особого рода, которые придают телам печать жизни. При отсутствии или прекращении таких процессов о жизни не может быть и речи. Живые системы отличаются от неорганических систем тем, что они состоят из чрезвычайно сложных органических соединений, прежде всего – белков. Живые системы – тела коллоидного характера.

Живые системы в отличие от неживых реагируют на внешние изменения явлением раздражения или определёнными колебаниями стационарны процессов. Динамическое равновесие стационарных процессов (у здорового) поддерживается даже тогда, когда системы подвергаются действию более или менее значительных воздействий, которые достаточны для разрушения безжизненных систем. Живые существа приспосабливаются к изменению окружающей среды. Жизнь характеризуется обменом веществ, энергии и информацией, прогрессивным онтогенетическим и филогенетическим развитием. Живые системы – системы, состоящие из одной или многих клеток, в которых имеется на лицо три группы процессов: процессы обмена веществ и энергии, физиологические колебания стационарных процессов и прогрессирующие процессы смены форм.

1869г Мишер открыл нуклеиновые кислоты (из гноя). Открытие нуклеиновых кислот повлекло за собой определение субстрата жизни.

Субстрат жизни – комплекс биополимеров: белков и нуклеиновых кислот. В настоящее время не известно ни одной живой системы без совокупности ДНК и РНК и белка. Все процессы, характеризующие жизнь, связаны с комплексными свойствами этих соединений. Главная особенность субстрата жизни – его упорядоченность на молекулярном уровне (условный пример: комплиментарность). Описанная упорядоченность белка и нуклеиновых кислот в пространстве влечёт за собой упорядоченность и во времени, что в конечном итоге обеспечивает строгую последовательность жизненно-важных процессов. Живые системы непрерывно обмениваются с окружающей средой энергией, веществами и информацией, т.е. существуют формы открытых термодинамических систем. С потоком вещества и энергии связано самообновление при сохранённой структуре в живом. С потоком информации связана приемтсвенность между сменяющими друг друга биологическими системами. Живые системы обладают самовоспроизведением, саморегуляцией и обладают постоянством внутренней среды – гомеостазом.

Жизнь – это способ существования белковых тел.

Волькенштейн: «Живые тела, существующие на земле, это есть открытые саморегулирующиеся, самообновляющиеся системы, состоящие из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот».

Основные свойства живых систем:

1. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.д. Основа обмена веществ – взаимно сбалансированные процессы ассимиляции и диссимиляции, при этом непрерывный поток веществ сопровождается непрерывным потоком энергии. Осуществление этих процессов обусловлено каталитической активностью белков. (см. Ярыгин)

2. Репродукция

3. Изменчивость

4. Индивидуальное развитие

5. Филогенетическое развитие

6. Раздражимость

7. Дискретность и целостность

Молекулярно-генетический уровень.

Объектом изучения является единица наследования – молекула ДНК (реже РНК). Ген – элементарная единица ДНК. Благодаря способности ДНК к редупликации происходит сохранение и передача информации последующим генерациям клеток, особей.

Редупликация – самовоспроизведение.

Субклеточный уровень.

Отдельные структуры клетки – органоиды, в которых происходят основные процессы метаболизма. Реализация генетической информации осуществляется в рибосомах. Синтез сложных соединений в полостях аппарата Гольджи. Процесс расщепления биополимеров в лизосомах. Каждый клеточный компонент выполняет строго определённые функции, обеспечивая в целом все жизненные и биологические проявления – целостность, на клеточном, а затем и на последующих уровнях.

Тканевый уровень. (прочитать).

Органный, организменный, популяционный и т.д. в Ярыгине.

Лекция №2.

Структурно-функциональная организация наследственного материала и его реализация в признаках.

1911г. Морган Бриджес Стертебан и Миллер сформулировали хромосомную теорию наследственности, определив местоположения генов в хромосомах.

Термин ГЕН ввёл Иогансон в 1909г.

В начале 20 века большой вклад в развитие генетики внесли русские учёные: Белозерский, который доказал, что в состав хромосом входит ДНК,

Надсон и Филиппов, получившие искусственные мутации.

Н.И.Вавилов вывел закон гомологичных рядов, установил, что у родственных видов возникают сходные мутации.

Кольцов, Четвериков изучали механизмы мутации генов у различных организмов.

Примерно 30 лет с 36 по 66 годы генетика в нашей стране была запрещена, её называли продажной девкой империализма. Это был очень тяжёлый период для отечественной генетики. Выдающиеся учёные не просто отстранялись от работы, их физически уничтожали. Н.И.Вавилов, который объехал полмира и создал уникальную коллекцию различных видов растений, был репрессирован, посажан в тюрьму и умер в Саратовской тюрьме от дизентерии.

В науке в то время главенствовал Лысенко и его сателлиты, которые отрицали существование гена, как одной из структурных единиц наследственности. Сталина очень удовлетворяло учение Лысенко, поэтому здесь играла большую роль именно политика.

В настоящее время современная генетика изучает механизмы наследования на молекулярном уровне, поэтому развитие генетики в целом мире можно поделить на три этапа: 1. Наследование признаков на уровне организма, 2. 1911г. Томас Морган – выдающийся американский учёный и его школа (клеточный уровень), 3. 1953г. – начало изучения на молекулярном уровне.

Не смотря на усиленное развитие генетики, основная концепция этой науки - концепция гена - оставалась сущностью, лишённой материального содержания. Генетики не могли объяснить, как ген может управлять специфическими, физиологическими процессами в клетке, и как он успешно осуществляет свою собственную функцию: точную репликацию в течение цикла клеточного деления.

История открытия химической природы наследственного материала ведёт своё начало с 1928г. Далее следуют опыты.

1. Гриффитс. Он заражал мышей пневмококком. Патогенность пневмококка связана с наличием полисахаридной капсулы, которая защищает бактерию. Гриффитс работал с двумя штаммами пневмококка: С-штамм обладал патогенностью, Р-штамм не обладал. Нагревая С-штаммы Гриффитс добивался того, что пневмококки С-штамма становились непатогенными. Однако введя смесь живых Р-штаммов и убитых С-штаммов мышам, он обнаруживал, что мышь погибает от убитого С-штамма. Это являение Гриффитс назвал трансформацией, т.е. превращением, но природы трансформирующего агента он определить не мог.

2. Эйвери, Мак-Леод и Маккарти установили химическую природу трансформирующего агента, они опытным путём доказали, что трансформирующим началом служит ДНК.

3. Опыты по трансдукции. Трансдукция – это перенос с помощью вируса фрагментов ДНК от одной клетки к другой. 1952г. Ледерберг и Зиндер работали с двумя штаммами сальмонеллы: 2А и 22А. Эти штаммы отличаются способностью к синтезу триптофана (аминокислота, которая входит в состав наших белков). Оба штамма поместили в у-образную колбу, разделённую бактериальным фильтром. И через некоторое время высеили оба штамма на питательную среду без триптофана, и штамм 22А приобрел способность расти на той питательной среде. Причина в том, что находящиеся в бактериях вирусы бактериофаги разрушили участок клеточной мембраны и ввели свою ДНК в бактериальную клетку. ДНК бактериофага соединяется с ДНК бактериальной клетки и реплицируется в составе её генома. Со временем фаговые частицы разрушают бактериальную клетку и уносят часть ДНК клетки-хозяина. И осуществляется перенос с помощью бактериофага участка ДНК от штамма 2А штамму 22А.

Последующие опыты учёных по изучению трансформации, трансфикции, трансдукции у бактерий ещё раз доказали, что носитель генетической информации является ДНК, а не белки, жиры и углеводы, как считалось ранее.

Доказано, что белок является главным материальным носителем проявлений свойств жизни, а синтез этого белка находится под контролем нуклеиновых кислот ядра.

1951г. Эдвин Чаргаф проанализировал нуклеотидный состав ДНК.

Основываясь на работах Чаргафа, Маклеода, Эйвери и других в 1953г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик, которые работали в лаборатории Пирутса и Кедрью в Англии, нашли правильное решение. Молекула ДНК имеет форму двойной спирали и состоит из двух полинуклеотидных цепей, т.е. ДНК – это биополимер, достигающий молярной массы в несколько миллионов. Как любой биополимер она состоит из мономеров. Мономеры ДНК имеют следующий состав: азотистое основание (А, Т, Ц, Г), пентоза (дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты. Природа разумно построила данную молекулу: между дезоксирибозой и остатком фосфорной кислоты и азотистым основанием существует прочная ковалентная связь. Одна полинуклеотидная цепь связана с другой водородными связями (А двумя с Т, Ц тремя с Т). За это исследование в 1961г. они получили Нобелевскую премию.

Исследования, проводимые учёными всех стран в последующие годы, ставили целью установить, как именно ДНК контролирует события в клетке на молекулярном уровне. Все эти разносторонние исследования стали называться молекулярной генетикой. Появление знаний о структуре ДНК помогли понять главные особенности феномена наследственности, а так же остальные свойства живых организмов: активный перенос веществ через мембрану, передача нервного импульса, мышление, память и многое другое.

ДНК обладает уникальным свойством – она сама себя воспроизводит – аутокаталитическая функция, редупликация ДНК. Эти функции связаны со следующими свойствами ДНК: способность содержать генетическую информацию, передавать эту информацию в неизменном виде, менять эту наследственную информацию в результате кроссинговера и мутаций. Вторая функция гетеролитическая – это контроль за синтезом полипептидов в клетке.

РНК, в отличие от ДНК, это одноцепочные молекулы (рибоза, остатки фосфорной кислоты и азотистые основания: А, Г, Ц, У). Молекулярная масса меньше, чем у ДНК.

Типы РНК:

1. Про-и-РНК

2. иРНК

3. тРНК

4. рРНК

5. вРНК

Про-и-РНК образуется в ядре в результате транскрипции. Как и ДНК, она содержит всю информацию: и смысловую и несмысловую. Процесс переписывания информации с ДНК на ПроиРНК – процессинг. ПроиРНК состоит из смысловых участков, которые называются экзонами, и несмысловые участки – интроны.

иРНК образуется в ядре в результате вырезания интронов, а с помощью ферментов лигаз экзоны сшиваются друг с другом. Образуется иРНК. Она в отличие от ПроиРНК содержит только смысловую информацию.

тРНК в отличие от иРНК имеет участки, состоящие из двух цепочек. Всего она состоит примерно из 80-100 нуклеотидов, молекулярный вес 25-30. Она имеет три петли. Петля внизу называется антикодон. Функции тРНК: перенос аминокислот к месту синтеза белка, локализуется она в основном в цитоплазме. На долю тРНК приходится 10% от всей РНК клетки. Отдельные её участки двуцепочечные, вследствие чего образуются петли: 1, 3, 2(антикодоновая, терминальная петля, вериабельная петля). На терминальной петле располагается антикодон. Максимально удалённый от него участок называется акцепторной зоной, сюда прикрепляется аминоксилота. Акцепторная зона – одноцепопчечный участок, который у всех видов тРНК заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной -ОН группой. Третья петля характеризуется специфической последовательностью, способной распознавать свою аминокислоту, а первая петля осуществляет контакт с рибосомой.

рРНК (рибосомальная РНК) синтезируется в области вторичной перетяжки хромосомы, которая называется ядрышковым организатором. рРНК – структурный компонент рибосом, обеспечивает связывание их с определённой нуклеотидной последовательностью иРНК, кроме того он обеспечивает взаимодействие рибосомы с тРНК.

Реализация генетической информации признака.

Один из центральных процессов метаболизма в клетке, связанный с потоком вещества, энергии и информации, является биосинтез белка. Формирование сложной молекулы из аминокислот-мономеров. В реализации этого процесса принимает участие как компоненты ядра, так и цитоплазма.

Функции ядра: СМОТРИ МЕТОДИЧКУ И ЯРЫГИНА.

Для реализации генетической информации требуется создание аппарата белкового синтеза, это включает синтез на молекулах ДНК разных иРНК, тРНК и рРНК. Кроме того в ядре эукариотической клетки происходить образование субъединиц рибосом, в результате комплексирования рибосомных белков и рибосомных РНК. Затем эти рибосомы выходят в цитоплазмы и на мембраны ЭПС, где и функционируют. Информация , содержащаяся в ДНК, передаётся синтезируемому белку только через РНК. Считывание наследственной информации с гена регулируется белками. Освободившись от гистонов, ген дерепрессируется, становится активным. К этому месту, оно называется промотр, прикрепляется фермент РНК-полимераза, и присходит считывание наследственной информации – транскрипция, идёт в ядре, приводит к образованию незрелой проиРНК. Молекула проиРНК гораздо крупнее иРНК (прцесс созревания – процессинг). Начальным этапом процессинга является сплайсинг, который заключается в узнавании и вырезании несмысловой части проиРНК. иРНК идёт на трансляцию к рибосоме, где осуществляется процесс трансляции.

Биосинтез белка имеет два аспекта: химический и генетический. Принципиальный момент заключается в том, что в природе белок строится путём последовательного добавления аминокислотных остатков к концу растущей полипептидной цепи.

Биосинтез белка:

1. активация аминокислоты.

аминокислота + АТФ = аминоацил-аденилат + пирофосфат.

2. Аминоацил-аденилат + тРНК = аминоацил-тРНК + АМФ

3. В рибосоме:

Пептидил (n) тРНК + аминоацил-тРНК = тРНК-пептидил (n+1)–тРНК

Лекция №3 Генный уровень организации наследственного материала. Современная теория гена.

Основополагающим моментом возникновения научных представлений в области генетики явилось открытие Г.Менделем в 1865г. законов наследования элементарных структур, названных позднее генами. Открытие Менделя опередило своё время. Полученные им результаты исследования и сделанные выводы на основании этого оставались незамеченными биологами почти 35 лет. Официальной датой рождения генетики считается 1900г. Это год повторного переоткрытия законов Менделя сразу несколькими учёными Орреньсом, Чермаком, Дефризом. После этого события началось интенсивное изучение процессов наследственности. Это повлекло за собой появление новой терминологии. Сама наука о наследственности и изменчивости получила название генетики (Бексон). Менделевскую единицу наследственности стали называть геном. Термен ГЕН предложит Иогансон в 1909г. в 1911г. Т.Морган, Бриджес, Миллер и др. сформулировали хромосомную теорию наследственности и впервые указали на хромосомную локализацию генов. В начале 20 века большой вклад в изучение природы гена и развитие генетики внесли наши соотечественники, в частности Белозерский, который доказал, что в состав хромосом входит ДНК. К этому времени было уже известно о роли ДНК, как хранителе наследственной информации. Два других советских учёных Филиппов и Надсон получили искусственным путём мутации, они изучали индуцированный мутагенез. Н.И.Вавилов открыл закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, т.е. установил, что у генетически близких видов возникают сходные мутации. Кольцов и Четвериков изучали механизмы возникновения мутаций в генах различных организмов. С 40-х годов 20 века до 1956г. генетика в нашей стране был запрещена.

После доказательства роли ДНК стал вопрос о локализации гена в клетке. В 1940г. Биддр и Татум выдвинули теорию - один ген – один фермент – один признак. Согласно этой теории, каждый ген имеет только одну первичную функцию, состоящую в том, чтобы направить синтез одного фремента. В 1949г. Л.Поллинг и его коллеги изучали заболевания серповидно-клеточная анемия, и сделали вывод, что это молекулярная болезнь, контролируемая геном. Работы Сингера по изучению первичной структуры белка привели к уточнению гипотезы ген-фермент в гипотезу один ген – один полипептид. В середине 20 века Г.Гаммов открыл генетический код и показал, что он триплетный. Ниренберг, Моттеи и Очоа в 1961г. полностью расшифровали генетический код. Были установлены триплеты для всех 20-ти аминокислот, участвующих в синтезе земных белков. Показано, что генетический код имеет вырожденный характер, обладают универсальным свойством, характеризуются неперекрываемостью, т.е. информация считывается последовательно потриплетно. Таким образом, постепенно сформировались представления о современной природе гена. Согласно этим представлениям ген – это единица генетического материала, которая передаётся от родителей потомству и может быть обнаружена в эксперименте по её способности мутировать другие состояния, рекомбенировать с другими такими же единицами и функционировать, наделяя организм каким-то конкретным фенотипом. В дальнейшем была исследована структура гена работой отечественных учёных Дубинина и Ромашова, зарубежных Безер, Демерец, помогли раскрыть молекулярные основы гена. В пределах гена были выделены цистроны, реконы и мутоны.

Рекон – наименьшая единица рекомбинации, она может быть равна всего двум парам нуклеотидов.

Мутон – единица мутации гена. Наименьшие размеры мутона – одна-две пары нуклеотидов.

Наименьшей единицей функциональной активности гена является цистрон. Впоследствии цистроном стали называть участок молекулы ДНК со специфической последовательностью нуклеотидов, определяющий первичную структуру, синтезируемой молекулы иРНК (мРНК).

Современный период понимания природы гена начался в 70-х годах 20-го века. Он связан с появлением знаний о прерывистой структуре генов эукариот. Гены эукариот имеют интрон-экзонную структуру. Чередование интронов и экзонов определяют дискретность или прерывистость гена. Это одно из важнейших свойств гена.

Другим важным свойством является специфичность, она определяется особым чередованием нуклеотидов в пределах каждого гена.

Каждый ген может отвечать за развитие нескольких признаков. Это свойство гена называется плейотропией. Примером является синдром Морфана, который заключается в том, что один ген определяет несколько симптомов: орахнодактилия (паучьи пальцы), патология соединительной ткани (аневризма аорты, подвывих хрусталика, астеническое телосложение).

Градуальность – заключается в том, что ген может усиливать степень проявления признака при увеличении числа доминантных аллелей в генотипе (среповидно-клеточная анемия: у гомозигот (АА) болезнь протекает очень тяжело и заканчивается летальным исходом обычно до наступления половой зрелости; у гетерозигот (Аа) болезнь протекает в слабой форме, они жизнеспособны и могут оставлять потомство; смертность от серповидно-клеточной анемии очень высока, особенно в детском возрасте у гомозигот).

Полигенность – заключается в том, что на развитие одного и того же признака могут влиять разные гены, у человека имеются огромное количество полигенных признаков, например, рост, масса тела, способность к лактации, умственные способности, АД и многие другие признаки контролируются несколькими парами генов, т.е. являются полигенными.

Пенетрантность – частота пробиваемости гена в признак. Она измеряется в процентах. Пенетрантность – это процент индивидуумов, несущих ген, у которых он фенотипически проявляется. Большинство генов, особенно доминантных, обладают пенетрантностью 100%. В некоторых случаях пробиваемость генов менее 100% - это зависит от целого рядя факторов: от генотипа (у гомозигот по шизофрении пенетрантность 100%, а у гетерозигот 20%), от пола (ген подагры проявляется у мужчин с пенетрантностью 20%, а у женщин 0%), от возраста (хоея Гентингтона проявляется у молодых людей в 20-24 года с пенетрантностью 8,3%, а у людей 30-34 года пенетрантность составляет 18%), от фактора внешней среды, в том числе и социальные факторы, напрмиер уровень врачебной помощи (во Франции враждённый вывих бедра составляет 7-8%, а в России 20%). При ранней диагностике и своевременном правильном лечении можно снизить пенетрантность довольно значительно.

Совокупность генов в клетке называется ГЕНОМ. Количество генов, которое входит в состав генома разнообразно, отличается у разных видов живых существ. У человека общее количество генов по последним сведениям составляет более 30000. Однако, в активном состоянии находится примерно 5-7% генов в каждой определённый период онтогенеза.

Возможность регуляции (диффиренциальной активности генов), способы её регуляции в настоящее время ещё только изучаются. Тонкий механизм регуляции работы генов полностью не изучен, особенно у эукариот. Известны лишь общие правила, согласно которым определённые наборы генов избирательно активируются в каждой клетке в определённые периоды онтогенеза.

Гипотеза, которая сыграла важную роль в понимании работы генов, была выдвинута на основе изучения генов кишечной палочки, растущей на смеси глюкозы и лактозы. Если бактерии предоставляли выбор источника углевода, то она сначала использовала глюкозу, а когда глюкоза в среде заканчивалась, она начинала метабилизировать лактозу. Сопрвождалось остановкой роста. При этом установили, что кишечная палочка начинала синтезировать фермент галактозидазу. Этот фермент расщиплял, гидролизировал лактозу до глюкозы и галактозы. Выделение и характеристика мутантных бактерий, обладающих диффектами в регуляции такого подключения дало толчок исследований, которые в 1961г. привели к выделению из смеси белка-репрессора – лактозного оперона.

Французские биологи Жакоб и Моно установили, что кроме структурных генов, которые определяют структуру полипептида, существуют регуляторные гены. Они регулируют работу структурных генов. Эти гены называются регуляторными. Таким образом, синтез белка находится под двойным контролем.

В состав оперона у прокариот входят и те и другие.

Действия генов-регуляторов состоит в подавлении деятельности структурных генов. Путём образования некоторого цитоплазматического продукта белка-репрессора. Изучение утилизации лактозы кишечной палочки привело исследователей к выводу о существовании белка-репрессора. Этот белок в отсутствии лактозы в среде выключает синтез фермента бетта-галактозидазы. Репрессор ингибирует работу оперона, он связывается с геном-оператором и образует препятствие для прохождения фермента РНК-полимеразы от зоны промотора к структурным генам. При этом транскрипция ближайших участков ДНК не происходит. Таким образом, белок-репрессор по сути дела отвечает за то, чтобы синтез бета-галактозидазы соответствовал потребностям клетки. Лактозный репрессор в свою очередь сам находится под контролем алло-лактозы. Алло-лактоза образуется в клетке под контролем, в присутствии лактозы. Алла-лактоза выполняет функцию аллостерического регулятора. То есть индуцирует конформационные (пространственные) изменения в молекуле репрессора, поэтому его связь с ДНК, то есть с геном-оператором, ослабевает, он отделяется от молекулы ДНК и освобождает промотор. РНК-полимераза приобретает возможность обеспечивать транскрипцию структурных генов. Это называется дерепрессией генов. Такая система регуляции позволяет бактерии синтезировать фермент, необходимый для расщепления лактозы тогда, когда это необходимо.

В опытах Жакоба и Мано были изучены основы регуляции генной экспрессии и дифференциальной активности генов, то есть было показано, что ген работает не всегда и не везде. У каждого гена имеется своё время действия и поле действия.

Регуляция работы генов у эукариот осуществляется значительно сложнее, менее изучена, чем у бактерий. В первую очередь это связано с особенностями организации генома эукариот. Экспрессия генов эукариот контролируется на пяти уровнях. К числу особенностей генов эукариот относятся прерывистая, интрон-экзонная структура генов. С этим связан тот факт, что в процессе биосинтеза белка имеется особый этап, который называется процессинг. Частью процессинга является сплайсинг – вырезание интронов и сшивание экзонов. Таким образом, из одной и той же нуклеотидной последовательности гена могут формироваться разные варианты белковых молекул (альтернативный сплайсинг). Предполагают, что у эукариот каждый оперон содержит только один структурный ген и множество регуляторных генов. Структурные гены у эукариот, ответственные за разные звенья одной цепи биохимических реакций, могут быть сосредоточены не в одном мечте, а рассеяны по всему геному. У эукариот может быть одновременно групповое подавление активности генов в целой хромосоме или на большом её участке. Этот процесс обеспечивается белками-гистонами, входящими в состав хромосом. У высших организмов взаимоотношение регуляторных и структурных генов осложняется в силу ряда причин:

1. Наличие обособленного от цитоплазмы ядра

2. Сложное строение хромосом

3. Диффиренцировака или специализация клеток

4. Влияние общих систем регуляции организма (гормоны, метаболиты и др. биологически-активные вещества, все эти вещества оказывают сильное трансформирующее влияние на проявление генной активности)

У эукариот, как правило, наблюдается групповая регуляция активности генов на этапе транскрипции, связанная с особенностями организации гетерохроматиновых и эухроматиновых участков хромосом. Эурохроматиновые участки – низкая конденсация и генетически активны. Гетерохроматиновые участки – высокая степень конденсации и генетически неактивны.

Известны механизмы регуляции генов, которые происходят на урове трансляции. Здесь происходит отбор матричных или информационных РНК, который осуществляется рибосомами.

Регуляция работы генов может происходить и на уровне эпигенеза, т.е. пострансляционного преобразования белка. Таким образом, необходимо отметить, что процесс регуляции работы генов у эукариот носит многоуровневый характер и неограничевается процессами, происходящими в пределах одной клетки. Для млекопитающих и человека установлено существование большого числа факторов регуляции работы генов различных надклеточных уровней (тканеспецефические, органоспецифические белки-активаторы, факторы нервной и эндокринной систем, например, существует белок беттаглобин, он является тканеспецифическим белком. Ген, который его кодирует, может активно работать в клетках красного костного мозга и их предшественников). Таким образом, изучение структуры и регуляции работы генов легло в основу центральной догмы молекулярной биологии:

1. Ген – участок ДНК, хранитель наследственной информации

2. Генетическая информация записана в пределах гена с помощью генетического кода, т.е.с помощью определённой последовательности нуклеотидов в кодогенной цепи ДНК

3. Реализация наследственной информации осуществляется посредством биосинтеза белка, который представляет собой сложный многоэтапный процесс: а) образование проиРНК (транскрипция); б) образование иРНК (процессинг); в) синтез полипептида (трансляция); г) формирование белка-фермента (эпигинез).

4. Белок-фермент включается в метаболизм, в результате формируются признаки или варианты признаков (норма и патология). Данная схема показывает, если все этапы реализации генетической инфомрации происходят без изменений, формируется нормальный признак. Если на каком-то этапе происходит нарушение, то это приведёт к возникновению патологического признака.