Мобільні хромосомні елементи, або мандруючі гени
Тема № 6. Будова гена про - та еукаріотів. Гени структурні, регуляторні, тРНК, рРНК рибонуклеїнові кислоти (РНК). Види РНК.
Вид заняття: практичне.
Час проведення- 2 години.
АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ: знання питань теми дозволять з’ясувати матеріальну основу реалізації спадкової інформації у про- та евкаріот, а також використовувати одержані знання в практичній медицині.
МЕТА ЗАНЯТТЯ: Розглянути рівні організації спадкоємного матеріалу еукаріот.Вивчити специфіку генного рівня. Будову і функції нуклеїнових кислот.Функціональну класифікацію генів.
КОНКРЕТНА МЕТА:уміти розв’язувати задачі на запропоновану тематику.
При підготовці до заняття користуватися літературою:
Основна:
1. Медична біологія /За ред.В.П.Пішака, Ю.І.Бажори. Підручник. - Вінниця: Нова книга, 2004.-с.87-89,94-95,101-104.
2. Биология. В 2кн. Кн.1: Учеб. для мед.спец. вузов /Под ред. В.Н.Ярыгина. 6-е изд., стер. - М.:Высш. Шк.,2004.- С.67-71,111-115.
3. Слюсарєв А.О., Жукова С.В. Біологія: Підручник / Пер. з рос. В.О.Мотузний. – К.: Вища шк., 1992. – с.35-36,38-39,84-88,90.
4. Збірник задач і вправ з біології. Навч. посібник /За ред. А.Д.Тимченка. - К.:Вища шк.-С.21-28
Додаткова:
1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-т. Т.3. Пер. с англ. /Под ред.П. Сопера . М.:Мир, 1990.- С. 182-188,298-299
2. Федченко С.Н. Общая и медицинская генетика.//учебное пособие для студентов медицинских вузов.- Луганск, 2003.- С.62-63
3. Федченко С.М. Молекулярні основи генетики:навчальний посібник для студентів 1 курсу.-Луганськ:ЛДМУ, 2003.- С.53-57.
4. Граф логічної структури
5. Конспект лекцій
Теоретичні питання:
1. Ген як одиниця генетичної функції.
2. Будова гена про- та еукаріотів.
3. Гени структурні, регуляторні, тРНК, рРНК.
4. Генетичний код, його властивості.
АЛГОРИТМ ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ:
Методичні вказівки до роботи студентів на практичних заняттях.
Ген – одиниця структури та функціональної спадковості, представляє собою ділянку (відрізок) молекули ДНК, який через синтез специфічних білків, ферментів, гормонів бере участь в утворенні внутрішніх та зовнішніх ознак організму.
СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО ГЕН.
Ген – основна елементарна структурно – функціональна одиниця спадковості, що визначає розвиток ознаки клітини або організму.
У клітинах вищих евкаріотів багато послідовностей ДНК можуть кодувати два і більше різних білки завдяки альтернативному сплайсингу.
Ген – будь – яка послідовність ДНК, яка транскрибується як окрема одиниця і кодує набір близько споріднених поліпептидних ланцюгів (ізоформи білків).
Слово «ген» було введено В.Іогансеном у 1909 р для позначення одиниці спадковості, що займає особливе місце (локус) у хромосомі. В 1948 р Дж. Бідл і Е. Татум запропонували гіпотезу «один ген – один білок» і розглядали ген як одиницю спадкового матеріалу, який містить інформацію для утворення одного білка.
За способом організації нуклеотидів у ДНК її можна розділити на такі фрагменти:
1) структурні гени; 2) регуляторні гени; 3) сателітна ДНК; 4) кластери генів; 5) пейсерна ДНК; 6) повторювальні гени.
- структурні гени(цистрони) несуть інформацію про структуру певних поліпептидів. З цих ділянок ДНК транскрибується мРНК, яка спрямовує синтез білків.
- регуляторні геникоординують активність структурних генів;
- сателітна ДНК має велике число груп повторюваних нуклеотидів, які не мають значення і не транскрибуються. Поодинокі гени серед сателітної ДНК звичайно грають регуляторну або посилюючу роль на структурні гени, наприклад, енхансери.
- кластери генів – це групи різних структурних генів у певній ділянці хромосоми, об’єднані спільними функціями. Наприклад, кластери п’яти різних гістонів повторюються 10-20 разів. Між такими кластерами знаходяться спейсерні ділянки, які не транскрибуютьс. Їхня роль до кінця не з’ясована.
- спейсери- вставки, які розділяють інформативну зону, утворену структурними генами, які не несуть інформації;
- повторювані гени – це один і той самий ген, що багаторазово повторюється, утворює тандеми – наприклад, гени рРНК.
Мобільні хромосомні елементи, або мандруючі гени.
У 1980 році Дулітл, Сапієнца, Орджел і Крік висловили гіпотезу про «егоїстичну» ДНК, згідно якої МГЕ є «геномними паразитами», «бродягами», які самостійно переміщуються у геномі. Основними точками МГЕ спільно з генами – модифікаторами є різні етапи транскрипції: ініціація, термінація, сплайсинг і стабільність мРНК.
Мобільні елементи грають важливу роль у геномних перебудовах про- і евкаріот: викликають інтеграцію двох раніше не пов’язаних між собою генів або оперонів з утворенням нових функціональних одиниць, появу делецій, інверсій і дуплікації у геномі.
Методами гібридизації було встановлено, що деякі активно працюючі гени дрозофіли можуть переміщуватися в різні ділянки всіх хромосом. Такі транспозиції виникають внаслідок не тільки згаданих вище геномних перебудов, але і мутації. Транспозони можуть регулювати процеси зчитування ДНК, посилюючи або навпаки, блокуючи будову генів.
Особливості структури РНК
На відміну від ДНК, РНК представлена поодинокими нитками, хоча. РНК еритроцитів людини, подібно до ДНК, складається з двох ниток, сполучених комплементарно і згорнених у спіраль. Молекули РНК, що складаються з 2-х комплементарних полінуклеотидних ланцюгів, виявлені в деяких вірусах рослин і тварин.
У клітині біосинтез РНК на матриці ДНК здійснюють ферменти РНК-полімерази. Синтезована РНК комплементарна матриці ДНК. РНК синтезується у вигляді молекул‑попередників (пре‑РНК), що мають велику молекулярну вагу. Ці молекули попередники проходять багатостадійний процес дозрівання - так називається посттранскрипційний процесинг, який зводиться до вирізування спеціалізованими клітинними ферментами деяких послідовностей.
Функції РНК в клітині складні і різноманітні. Відповідно до функціонального призначення і структурних особливостей у будь-якій клітині розрізняють види РНК: рибосомні РНК, транспортні і матричні (інформаційні).
Рибосомальна (рибосомна) РНК.
На рРНК припадає 80-90% загальної кількості клітинних РНК. Вона кодується звичайними генами, що знаходяться в декількох хромосомах і розташованих в ділянках ядерець, відомими під назвою «ядерцевими організаторами». РНК міститься в цитоплазмі, де вона зв’язана з білковими молекулами, утворюючи разом з ними клітинні структури – рибосоми.
У еукаріот відомо 4 типи рРНК з коефіцієнтом седиментації:
- 55 РНК (121 нуклеотид);
- 5,85 РНК (155 нуклеотид;
- 285 РНК (4000 нуклеотидів);
- 189 РНК (2000 нуклеотидів).
Існування транспортної РНК (т РНК) було представлено ученим Хоглендом в 1955 році. На їхню частку припадає близько 20% усієї РНК клітин. Молекули тРНК найменші із усіх нуклеїнових кислот і складають 70-90 нуклеотидів.
Первинна структура тРНК відрізняється великою кількістю мінорних нуклеотидів – наявністю метильованих, псевдоуридилових та гідроуридилових залишків.
Вторинна структура тРНК у двомірному просторі має конформацію «листка конюшини», що утворюється за рахунок специфічної взаємодії комплементарних азотистих основ упродовж полі рибонуклеїнового ланцюга.
Неспарені нуклеотидні послідовності формують специфічні для будови тРНК наступні структурні елементи:
- акцепторну гілку (стебло) – 3'-кінець молекули, що містить термінальну послідовність нуклеотидів ЦЦА (пропін);
- актикодонову петлю – що має три нуклеотиди (антикодон), комплементарних треплет нуклеотидів – кодону в складі іРНК, відповідає за взаємодію тРНК і іРНК при утворенні в рибосомі транспортного комплексу;
- дигідроуризилова петля – має 8-12 нуклеотидів, складається із 1-4 дигідроуризилових залишків;
- псевдоуридилову петлю – ділянка тРНК, що в усіх молекулах містить обов’язкову нуклеотидну послідовність;
- 5'-Т ψ С-3’. Ця петля необхідна для взаємодії тРНК із рибосомою;
- додаткова гілка – із двох класів:
1. тРНК класу' – 3-5 нуклеотидів;
2. тРНК класу " (з додатковою гілкою) – 3-21 нуклеотид.
За даними рентгеноструктурного аналізу ідентифіковано третинну структуру молекул тРНК, яка нагадує велику латинську літеру L.
Молекули тРНК мають чотири ключові ділянки:
а) несучий кінець. У цьому місці до неї приєднується специфічна амінокислота. Він утворений двома комплементарними кінцевими ділянками РНК. Складається з семи пар основ. 3´-кінець цієї дільниці довший і формує одноланцюгову ділянку, що закінчується ССА послідовністю з вільною ОН-групою. До цієї групи приєднується амінокислота, що транспортується;
б) ділянка, що розпізнає. Вона складається з п'яти нуклеотидів. У центрі має 3 специфічних рибонуклеотиди (триплет). Цей триплет називається антикодоном. Азотисті основи цього антикодону комплементарні триплету на ланцюзі іРНК;
в) ділянка приєднання ферменту. Це спеціальна частина молекули тРНК для специфічного зв’язування з ферментом аміноацил- тРНК синтетазою, що каталізує приєднання амінокислот до молекули тРНК;
г) ділянка зв’язування з рибосомою-особлива частина молекули (певна послідовність нуклеотидів) тРНК, що потрібна для прикріплення до рибосоми.
Матрична РНК (мРНК). Молекули мРНК утворюються на специфічних ділянках ДНК, що звуться структурними генами. Вони несуть закодовану інструкцію про первинну структуру білків у цитоплазму.
Інформаційна РНК є матрицею для синтезу поліпептидів, тому її називають також матричною.
Звичайно вона несе інформацію про синтез тільки однієї молекули білка - це так звана моноцистронна іРНК. Іноді вона містить декілька варіантів сусідніх цистронів для різних білків і відома під назвою поліцистронна іРНК. Інформаційна РНК несе інформацію про порядок розташування амінокислот у синтезованому білку. Порядок розташування амінокислот кодується чіткою послідовністю нуклеотидів молекули іРНК (генетичний код). Кожній амінокислоті відповідає свій триплет нуклеотидів (кодон). Молекули мРНК складаються із 300-3000 нуклеотидів. Спільна маса складає 0,5-3,0%. Інформаційна мРНК утворюється в ядрі у вигляді незрілої про-іРНК. Внаслідок процесингу вона “дозріває” і надходить у цитоплазму, де відразу прикріплюється до рибосом.