WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 11 |

Согласно модели Уотсона-Крика, молекула ДНК представляет собой две правозакрученные вокруг общей оси спирали полинуклеотидные антипараллельные (т.е. разнонаправленные) цепи. Каждая цепь имеет два конца 5 (начало) и 3 (конец). 3-концу одной цепи соответствует 5-конец другой. Мономерами неветвящихся полимерных цепей ДНК являются нуклеотиды, которые состоят их остатка фосфорной кислоты, пентозного сахара – дезоксирибозы (содержащего пять углеродных атомов, каждый из которых нумеруется цифрой со штрихом: 1, 2, 3, 4, 5) и одного из четырех азотистых оснований: пуриновых (А,G) или пиримидиновых (С,Т). (рисунки 1 и 2). Поскольку нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) состоят из многократно повторяющихся мономерных звеньев – нуклеотидов, их называют полинуклеотидами. Двойная спираль ДНК имеет диаметр 20 нм, длина одного витка (полный оборот спирали) около 3,4 нм, каждый виток включает пар нуклеотидов.

Нуклеотиды соединены в цепи прочными ковалентными (фосфоди эфирными) связями. Причем, каждый остаток фосфорной кислоты связан фосфодиэфирными связями с 5-углеродом одного остатка сахара и с 3 углеродом другого остатка. Обе цепи соединены друг с другом водородны ми, образующимися между азотистыми основаниями внутри спирали.

Двуцепочечная молекула ДНК напоминает по структуре винтовую лестницу с перилами в виде сахаро-фосфатного остова и ступеньками в виде азотистых оснований двух противоположно направленных цепей, скрепленных слабыми водородными связями. Пара A=T образуется путем формирования двух водородных связей, GC – трех.

Рисунок 1. Схема строения Рисунок 2. Комплементарность и антипамолекулы ДНК по раллельность цепей в ДНК Дж. Уотсону и Ф. Крику Именно соединение оснований в комплементарные пары (А-Т и G-C) обеспечивает равную величину ступенек лестницы ДНК в силуструктурного соответствия этих оснований. Комплементарность (от лат. сomplementum –дополнение) - пространственная взаимодополняемость (взаимное соответствие) поверхностей молекул или их частей, подходящих как ключ к замку, приводящая, как правило, к образованию вторичных (например, водородных) связей между ними. Образование водородных связей между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями обусловлено их пространственным соответствием. Пурины – более крупные молекулы, включающие два кольца, пиримидины – одно. Пуриновые основания (А,G) не могут составить пары, так как им не хватит места в центре спирали. Напротив, пиримидиновые основания (С,Т) слишком малы для образования между ними водородных связей. Т.е пара из двух пуринов была бы слишком велика, а пара из двух пиримидинов – слишком мала для укладки в правильную спираль молекулы ДНК. Именно соединение оснований в пары по принципукомплементарности (A с T) (G с C) обеспечивает равную величину ступенек лестницы ДНК. Это и составляет суть принципа комплементарности.

Комплементарность азотистых оснований в молекуле ДНК представляет главную сущность молекулярных основ наследственности, ибо позволяет понять, как при делении клетки синтезируются тождественные молекулы ДНК. На принципе комплементарности основаны все фундаментальные процессы жизнедеятельности клетки : репликация, транскрипция, трансляция, репарация. Т.е. матричная активность гена базируется на использовании принципа комплементарности при считывании и реализации наследственной информации.

Единицами измерения длины молекулы ДНК являются: пары нуклеотидов (пн), тысячи пар нуклеотидов – килобазы (кб), миллионы пар нуклеотидов – мегабазы (мб), пикограммы (пг - 110-12г), дальтон (Да -1,67-24г).

1пг = 0,965109пн = 6,11011Да.

Наследственная информация у большинства организмов записана в виде последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК, составляющих основу их хромосом, а у некоторых вирусов в последовательности нуклеотидов молекул РНК.

В отличие от ДНК молекулы РНК, как правило, однонитевые. Построены они аналогично нитям ДНК, только в сахаро-фосфатный остов входит рибоза, а вместо тимина в их состав входит другой пиримидин - урацил (U). Однако геном отдельных вирусов представляет собой одноцепочечные ДНК или двухцепочечные РНК, которые могутиметь линейную формуили замкнуты в кольцо.

С позиций современного уровня развития науки ген – это элементарная единица наследственной информации, занимающая специфический локус на хромосоме и контролирующая выполнение определенной функции в организме; единица функции, оказывающая один или несколько специфических эффектов на фенотип организмов путем контроля за синтезом определенной молекулы полипептида.

Ген – функционально неделимая единица наследственной информации, представляющая собой участок молекулы ДНК (реже РНК у вирусов) с определенной последовательностью нуклеотидов, кодирующий синтез полипептида, тРНК, либо рРНК.

Совокупность генов отдельного организма (индивидуума), находящихся между собой в различного рода взаимодействиях, называют его генотипом. Т.е. генотип – это не простая сумма генов, а система взаимодействующих генов. Это генетическая конституция организма, имеющая фенотипическое проявление. Фенотип – это совокупность внешних и внутренних признаков организма, проявляющихся как результат взаимодействия генотипа с окружающей средой. Термином геном обозначают суммарную генетическую информацию (суммарную = тотальную ДНК: совокупность всех генов, межгенных участков и некодирующих повторов) гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. При этом не учитыва- ется аллельный состав. Это усредненное, общее строение ДНК – размеры и особенности организации, последовательность неуклеотидов и др.

1.2. Типы и структура генов Различают следующие типы генов:

1. Структурные, или уникальные. Это неповторяющиеся (или повторяющиеся не более 10 раз) последовательности нуклеотидов. Каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком расположения нуклеотидов и кодирует первичную структуру определенного полипептида или молекулы РНК. Здесь содержится основная генетическая информация.

Строение структурных генов эукариот (экзон-интронная организация гена) У эукариот гены устроены сложнее, чем у прокариот. Важная особенность генов эукариот – их прерывистость, мозаичная (интрон-эзонная) структура. Они состоят из кодирующих участков (нуклеотидных последовательностей) – экзонов и некодирующих – интронов. Интроны, подобно межгенным спейсерам (участкам между генами), не содержат генетической информации, тогда как сумма экзонов кодирует специфичный для этого гена продукт- полипептид, рРНК, тРНК и т.д. Такой тип структурной организации обнаружен для большинства эукариотических ядерных генов (локализованных в хромосомах), для некоторых генов цитоплазматических органелл – пластид и митохондрий, а также для генов нескольких РНКсодержащих и ДНК-содержащих вирусов, поражающих эукариот. У бактерий интронов в генах нет. Нет интронов и в генах вирусов, поражающих бактерии. В результате линейные размеры генов, содержащих интроны, резко возрастают по сравнению со структурными генами прокариот.

Число, размеры и внутригенная локализация интронов различны у разных генов. Экзоны, как правило, имеют небольшую длину (от 100 до 600 пн), а длина интронов может варьировать в широких пределах. Так, у дрожжей сахаромицетов (низших эукариотических грибов) 95% генов содержат только один экзон, т.е. не прерываются интронами. У дрозофилы таких генов всего 17%, а у млекопитающих – 6%. Причем, большинство генов млекопитающих содержит больше интронов, чем экзонов. По данным проекта “Геном человека” только 1% ДНК генома приходится на экзоны и 24% на интроны, при этом размер типичного гена (интроны +экзоны ) составляет около 28 тпн. У человека один из самых коротких генов – ген бэта-глобина (1100пн) имеет 3 экзона и 2 интрона. Самый протяженный ген дистрофина (2,6 млн пн) содержит более 200 экзонов. Наибольшее число экзонов обнаружено в гене фибриллирного белка титина (234). Последовательности нуклеотидов в экзонах консервативны, а в интронах сильно варьируют. Считают, что интроны эволюционируют значительно быстрее, чем экзоны. Мозаичная структура генов определяет эволюционные возможности генома эукариот. Кроме того, существование интронов обеспечивает регуляцию экспрессии генов эукариот (например, альтернативный сплайсинг).

Схема организации типичного гена представлена на рисунке 3.

Каждый ген состоит из двух основных элементов: регуляторной части и собственно кодирующей (структурной) части. Регуляторная часть обеспечивает начало транскрипции кодирующей части (промотор) и завершение транскрипции (терминатор). В структурной части записана информация о структуре кодируемого данным геном полипептида (белка).

Стартовая точка Экзоны Терминация транскрипции Транскрипции 5’ П 1 2 3 4 Т 3’ Интроны Направление транскрипции П – промотор и Т – терминатор – нетранслируемые области Рисунок 3. Модель общей структуры гена эукариот Регуляторная часть не транскрибируется, со структурной части считывается матричная РНК (мРНК). Регуляторная часть эукариотического гена устроена гораздо сложнее прокариотического. В начале гена (5конец) находится промотор – участок, к которому присоединяется РНКполимераза у прокариот или транскрипционного комплекса у эукариот, что сопровождается инициацией транскрипции. Матричная РНК (мРНК) синтезируется в направлении от 5- к 3- концу одной из цепей ДНК, которая называется матричной. Вторая цепь называется кодирующей. В конце гена (3-конец) находится участок терминации транскрипции (терминатор).

Интроны транскрибируются наравне с экзонами, так что про-мРНК (первичный транскрипт) представляет собой полную копию гена и содержит участки, транскрибированные как с экзонов, так и с интронов. В дальнейшем в ходе процессинга (созревания), происходящего в ядре, участки про-мРНК, соответствующие интронам, вырезаются, а бывшие разобщенные участки, считанные с экзонов, “сращиваются” (“сшиваются”) в нужном порядке, и зрелая мРНК содержит только транскрипты экзонов. Воссоединение участков, транскрибированных с экзонов при образовании зрелой мРНК, называют сплайсингом ( от англ. splicing – сращивание морских канатов). В итоге длина мРНК оказывается существенно меньше длины гена (рис. 9). Интроны всегда (установлено для генов, кодирующих белки ) имеют на 5-конце пару сигнальных последовательностей GT, а на 3-конце – AG, которые “узнают” ферменты нуклеазы, вырезающие эти участки.

Ген включает также небольшие регуляторные участки – энхансеры (усилители) и сайленсеры (ослабители), влияющие на интенсивность проявления (или экспрессии) гена. Причем, энхансеры и сайленсеры могут располагаться не только в 5’- конце (рядом с промотором), но и в тысячах пар нуклеотидов от промотора, в любой ориентации по отношении к направлению транскрипции (в середине гена, в его 3’-области, входить в состав интронов).

2. Регуляторные гены – не транскрибируются и не имеют собственного фенотипического проявления. Они служат местами узнавания энзимов и других белков, включенных в репликацию и транскрипцию ДНК.

Т.е. это гены, взаимодействующие с регуляторным белком в процессе регуляции действия генов, или их экспрессии. Они включают или выключают, усиливают или ослабляют действие структурных генов в зависимости от условий среды, определяя тем самым диапазон ненаследственной изменчивости. К ним относятся гены -модификаторы, гены -супрессоры, энхансеры, сайленсеры и т.д. Регуляторные гены эукариот отличаются от прокариотических.

3. Псевдогены – нефункциональные копии нормальных структурных генов эукариот. Такие гены имеют необходимые черты генов, т.е. полный набор экзонов, характерный для таких генов, но никогда не экспрессируются (не транскрибируются). Т.е. остаются функционально неактивными.

Существует два типа псевдогенов:

- Традиционные псевдогены, возникающие за счет дупликаций определенных генов, которые затем выключаются в результате делеций и точковых мутаций. Т.е. это дуплицированные копии нормальных структурных генов, потерявшие активность из-за произошедших в них мутаций. К этому типу относится семейство генов глобинов. У человека существует несколько типов гемоглобинов. Каждый из них синтезируется на определенной стадии развития, поэтомусостав белков (глобинов) в - и -цепях гемоглобина крови млекопитающих различен у эмбриона, плода и взрослого организма. В геноме человека гены гемоглобина расположены двумя кластерами: все -подобные гены собраны в хромосоме 16, а -подобные гены – в хромосоме 11. В каждом кластере есть псевдогены.

- Процессированные псевдогены. Они возникли в результате обратной транскрипции “процессированной”, т.е. прошедшей процессинг, зрелой мРНК и ее интеграции обратно в геном (ретропозиции). Их называют еще ретрогены (“ретро” по латыни – “назад”). У них нет интронов. Такие псевдогены часто встречаются у млекопитающих и редко – у дрожжей.

Полагают, что в геноме человека не менее 3 тыс. последовательностей можно рассматривать в качестве псевдогенов.

4. Повторяющиеся последовательности ДНК. К ним относятся мультигенные семейства, или умеренно повторяющиеся последовательности (это последовательности в 100-500 пн, повторяющиеся в геноме 10-раз). Это группы родственных структурных генов, образующих кластер либо диспергированных по геному, возникающих в результате ряда последовательных дупликаций гена предшественника. Мультигенные семейства кодируют, например, рРНК и тРНК. Продуктами этих генов, таким образом, является РНК. Гены рибосомальных цистронов или рДНК у эукариотических организмов локализованы в области ядрышковых организаторов хромосом (в районе вторичной перетяжки ). Копии рДНК генов 28S, 18S и 5,8S собраны в блоки -кластеры, которые разделены нефункциональными участками – спейсерами. Число копий варьирует от 100 до 1000. У дрожжей - 140 повторов, у дрозофилы 200-250, у человека – 1250. Кластер генов транскрибируется в виде одной мРНК (первичного транскрипта), который затем подвергается процессу созревания (процессингу), что проявляется в разрезании гигантской молекулы (45S РНК) на 3 фрагмента, соответствующие молекулам 5,8S, 18S и 28S РНК, и спейсерные участки. Последние не выходят в цитоплазму и деградируют в ядре. Т.е. из одного первичного транскрипта образуется несколько молекул рРНК. К мультигенным семействам относят и группы функционально близких белков – гистонов, входящих в состав нуклеосом. Эти гены расположены в определенной последовательности: Н 4, Н 2В, Н 2А, Н 3, Н 1.

Орфоны - одна из форм псевдогенов, которые (в отличие от процессированных псевдогенов) произошли из повторяющихся последовательностей мультигенных семейств (например, гистонов, гемоглобина и др.).

Считают, что орфоны являются своеобразным “резервуаром” последовательностей, способных эволюционировать в сторону приобретения новых функций, и поэтомумогутиграть важную роль в эволюции высших организмов.

Характерная особенность генетического материала эукариот – наличие избыточной ДНК. Так, у бактерии Escherihia coli (E. coli) из 4,6 млн.

пн, входящих в состав генома этого вида, 88,6% (т.е. основную часть) занимают гены. Из них 87,8% приходится на долю структурных генов (около 4 тыс. генов), а 0,8% - на долю умеренно повторяющихся последовательностей, кодирующих различные типы РНК. Иная картина у эукариотических организмов. У человека, например, из 3,2 млрд. пн, входящих в состав генома, только около 3% (около 32 тыс. генов) составляет кодирующую часть. Подавляющая же часть ДНК избыточна и представлена высокочастотными повторами.

- Высоко повторяющиеся последовательности. Это так называемая сателлитная ДНК (сатДНК), в которой сходные участки (мотивы) ДНК размером до 100-300 пн могутбыть повторены до миллиона раз на геном (105 и более раз). Сателлиты формируют длинные гетерохроматиновые участки ДНК. Как правило, эта ДНК локализована в центромерных и теломерных районах хромосом. Входит в состав гетерохроматина. СатДНК включает нетранскрибирующиеся последовательности, т.е. в генетическом отношении инертна, поэтомуее называли мусорной, или эгоистичной. Но такого геномного мусора нет ни у бактерий, ни у дрожжей, поэтомупредполагают, что это скорее всего не “мусор”, а ценное эволюционное приобретение, обеспечившее высокорганизованным эукариотам преимущество в процессе развития, а поэтому и сохранившееся. В последнее время было показано, что сатДНК принимает участие в структурной организации хромосом, участвует в процессе конъюгации хромосом в профазе мейоза. По мнению А.П. Акифьева, функция избыточной ДНК состоит в поддержании “критической массы” хромосом, которая не может быть потеряна ни при каких обстоятельства и является необходимой для прохождения митоза и мейоза. Кроме того, сателлитной ДНК отводят особую роль в эволюции.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 11 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.