Кафедра биологии с экологией и курсом фармакогнозии

Кафедра биологии с экологией и курсом фармакогнозии Лекция 3 Генный уровень организации наследственного материала Доцент Н. Н. Дегерменджи

ПЛАН • 1. Материальный субстрат наследственности и изменчивости. • 2. Биологический код и его свойства. • 3. Экспрессия генетической информации у про- и эукариот и ее регуляция.

Наследственность – способность клеток или организмов в процессе самовоспроизведения передавать новому поколению способность к определенному обмену веществ и к онтогенезу, что обеспечивает формирование признаков и свойств этого типа клеток и организмов.

Изменчивость - свойство живых систем приобретать изменения и существовать в различных вариантах. Материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты в большинстве - это ДНК.

ДНК Первичная структура – полинуклеотидная цепь, мономеры (нуклеотиды) соединяются фосфоди- эфирными связями (сборка цепи за счет фермента полимеразы). Наращивание цепи идет в направлении 5/ ----3/

Вторичная структура ДНК – две полинуклеотидные цепи (антипараллельны), связанные водородными связями Третьичная структура – трехмерная структура ДНП

Свойства ДНК РЕПЛИКАЦИЯ – способность к самокопированию Способ: ПОЛУКОНСЕРВАТИВНЫЙ

Свойства ДНК. Репликация Этапы РЕПЛИКАЦИИ: 1 - Разделение материнской цепи на 2 матричные нити (работает фермент ГЕЛИКАЗА) 2 - Дестабилизирующие белки располагаются вдоль каждой полинуклеотидной цепи (роль: растяжение нити и доступность для + комплементарных нуклеотидов)

РЕПАРАЦИЯ – коррекция нарушений соединения под влиянием реакционно- способных веществ или УФ. Разновидности: - ЭКСЦИЗИОННАЯ или дорепликативная (с вырезками) - ПОСТРЕПЛИКАТИВНАЯ (путем рекомбинации) - СВЕТОВАЯ РЕПАРАЦИЯ (самопроизвольное устранение нарушений под действием видимого света).

РЕПАРАЦИЯ - Приналичии большого объема поражений включается система индуцируемых ферментов репарации (SOS система: восстановление может идти без соблюдения принципа комплементарности, что ведет к стойким изменениям – мутациям) - При значительном повреждении – блокада репликации ДНК.

Элементарной функциональной единицей наследственности является ГЕН

МУТОН - минимальное количество наследственного материала, способного изменяться и приводить к появлению новых вариантов признака. Мутон – это элементарная единица мутационного процесса. Мутон соответствует 1 паре комплементарных нуклеотидов.

Мутации со сдвигом рамки считывания Причины: - Спонтанные изменения под действием химических веществ - Рентгеновское облучение - Ошибки рекомбинации при неравноценном внутригенном кроссинговере.

Нарушение реализации экспрессии генов РЕЗУЛЬТАТ - Синтез аномального белка; - Выработка избыточного ГЕННЫЕ количества; БОЛЕЗНИ – - Отсутствие выработки; болезни обмена - Выработка веществ уменьшенного количества нормального продукта

Hb. A норма Hb. S – Серповидноклеточная анемия

Геном эукариот Геном – совокупность ядерной и цитоплазматичес кой ДНК в половой клетке. Геном – величина «С» , характериз- ующая вид, измеряется в н. п. или дальтонах.

Парадокс величины «С» 1. Увеличение «С» с усложнением организмов в ходе филогенеза. 2. Величина «С» может значительно различаться даже у родственных видов

Геном человека Содержит 3, 5 х 109 н. п. (соответствует 1, 5 млн. генов) У человека около 100 тыс. различных белков – это только 1 -3% от всей ДНК. Гены, регулирующие экспрессию генов – 16%. Более 80% генома – избыточно (? )

Понятие о гене • Ген - единица наследственности Первые представления о сложной структуре гена возникли в 20 - х годах прошлого столетия. Советские генетики А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин выдвинули предположение о дискретной структуре гена Американский ученый Бензер предложил назвать часть гена цистроном Американский ученый Гильберт в 1978 г. Установил , что ген эукариот состоит из информативных и неинформативных участков

Понятие о гене Строение гена прокариот:

Понятие о гене • Строение гена эукариот Имеет экзон – интронную структуру Экзон – информативная часть гена, т. е последовательность, нуклеотидов, кодирующая синтез белков или РНК Интрон - неинформативные последовательности нуклеотидов внутри одного гена, которые транскрибируются Экзон Интрон Схема строения гена эукариот

Понятие о гене Классификация генов Структурные Онтогенетические Гены, несущие информацию Хроногены, о структурных Гены пространственной и функциональных белках, организации о т – РНК, р - РНК, мя РНК Функциональные Промотор, оператор , энхансер, сайленсер, терминатор

Классификация генов I. Структурные II. Регуляторные III. Регулирующие ход 1. Промотор онтогенеза 1. Независимые 2. Оператор 1. Хроногены 2. Повторяющиеся 3. Регулятор 2. Гены 3. Кластерные 4. Энхонсер пространственной организации 5. Сайленсер 6. Спейсер 7. Псевдоген

Понятие о гене • Классификация генов Структурные гены : • Независимые гены – их транскрипция не связана с функциональными генами, а напрямую регулируется гормонами • Повторяющиеся гены (тандемные) – так устроены гены, несущие информацию о РНК • Кластерные гены – группы различных генов, объединенных одной функцией

Понятие о гене • Классификация генов Функциональные гены : • Оператор – относится к группе акцепторов. Определяет время, с которого начинается транскрипция • Промотор –участок ДНК, включает 80 -90 нп. Способен связываться с ДНК – зависимой РНК – полимеразой. Полимераза узнает участок ТАТААТ, который называется блок Прибнова. В этом месте ДНК плотно не упаковывается. Промотор определяет место, с которого начинается транскрипция

Понятие о гене • Классификация генов Функциональные гены : • Энхансер – увеличивает скорость транскрипции • Сайленсер – снижает скорость транскрипции • Спейсер – неинформативный участок генома • Псевдогены – НП, в которых полимераза не работает, в связи с мутацией

Понятие о гене • Классификация генов Палиндром Функциональные гены : • Терминатор - ген, на котором заканчивается транскрипция. Находится на 3’ конце. Включает палиндром

Генетический код и его свойства • Код наследственности – способ зашифровки • в молекуле ДНК наследственной информации • о структуре и функции белков Свойства кода (М. Ниренберг, 1963 г. ) • Колинеарность - параллелизм. Нуклеотидная последовательность ДНК соответствует аминокислотной последовательности белка • Триплетность –каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов – триплетом. Из четырех нуклеотидов путем различных сочетаний можно получить 64 триплета - кодона.

Генетический код и его свойства • Неперекрываемость – • при неперекрываемости один и тот же нуклеотид не может одновременно принадлежать двум кодонам: • Перекрываемость – заключается в том, что с одного и того же участка ДНК может считываться информация для образования двух и более белков в зависимости от начальной точки считывания АУГУУЦГУЦЦУГ- аминокислоты: 1. метионин – фенилаланин – валин – лейцин 2. цистеин – серин - серин

Генетический код и его свойства • Вырожденность – экспериментально установлено, что при триплетности все 64 кодона имеют значение в экспрессии генов. Из них 61 кодон кодирует аминокислоты, а • 3 кодона являются стоп – кодонами: УГА, УАГ, УАА. • Универсальность – кодирование аминокислот происходит одинаково на всех уровнях организации живой системы • Квазиуниверсальность – некоторые кодоны в разных генетических системах кодируют различные аминокислоты

Второй генетический код • 1. Редкие аминокислоты (селеноцистеин) могут включаться в первичную структуру полипептида, кодируясь тройкой УГА(стоп), если за этим кодоном находится особая стимулирующая последовательность нуклеотидов 2. Инициативный кодон АУГ, отвечает за включение метионина. Иногда инициация метионина может быть обеспечена кодонами АЦА, АУУ (изолейцин), УУГ (лейцин). Это происходит в том случае, если эти кодоны находятся в контексте: ГЦЦГЦЦАУГ

Экспрессия генов • Это реализация наследственной информации • от гена к признаку Признак – это результат биохимических реакций, при которых продукт предыдущих реакций служит субстратом для последующих.

Экспрессия генов Реализация наследственной информации в признаки (на примере образования пигмента меланина) Аминокислота фенилаланин – поступает с пищей Фенилаланин Тирозин Фенилаланингидроксилаза( фермент) Нет фермента Альбинизм Диоксифенилаланин Фенилпировиноградная кислота ФКУ Меланин …

Экспрессия генов • У прокариот У эукариот Этапы Этапы v. Транскрипция v. Процессинг v. Транспорт аминокислот v. Трансляция

Экспрессия генов • Транскриптон – единица транскрипции У эукариот– моноцистроновый - содержит один ген У прокариот– полицистроновый – содержит несколько генов Транскриптоны бактерий – ОПЕРОНЫ- кодируют несколько белков

Экспрессия генов Транскрипция • Транскрипция происходит на матричной цепи ДНК Вторая цепь – комплементарная или смысловая

Экспрессия генов • Стадии транскрипции у прокариот v. Инициация Осуществляется: • ДНК – зависимыми РНК – полимеразами • Оператором • Промотором, содержащим блок Прибнова 5' - ТАТААТ - 3', который является стартом транскрипции • Белковыми факторами инициации

Экспрессия генов Элонгация транскрипции у прокариот • Фермент РНК - полимераза считывает информацию с ДНК - матрицы в направлении 3' 5' • Синтез м - РНК идет в направлении 5' 3' • Регуляторы скорости транскрипции: • ЭНХАНСЕРЫ – (ускоряют) и САЙЛЕНСЕРЫ (замедляют)

Экспрессия генов v. Элонгация – сам процесс считывания информации

Экспрессия генов • Терминация транскрипции осуществляется палиндромом, который образует шпилечную структуру или фигуру “креста “ Шпилька Крест

Регуляция транскрипции • Регуляция транскрипции у бактерий Осуществляется на уровне транскрипции Модель регуляции транскрипции у прокариот разработана Жакобом и Моно в 1961 году на кишечной палочке Регуляция транскрипции у бактерий обычно охватывает кластер генов, кодирующих функционально родственные белки. Такими белками обычно являются ферменты

Регуляция транскрипции • Регуляция транскрипции у прокариот происходит преимущественно на стадии инициации и связана с деятельностью регуляторных белков – активаторов и репрессоров транскрипции • Различают негативную и позитивную регуляцию транскрпции оперонов , которые включают не только действие регуляторных белков, но и ряда внутриклеточных метаболитов небелковой природы.

Регуляция транскрипции у прокариот

Регуляция транскрипции у прокариот Репрессия транскрипции Белок - репрессор Репрессия P z y a П Т АПО Т

Регуляции транскрипции у прокариот Репрессия транскрипции отсутствует Лактоза (эффектор) Белок - репрессор Репрессия отсутствует P z y a П Т АПО Т м. РНК

Регуляция транскрипции • Регуляция экспрессии у прокариот Группа согласованно регулируемых генов, кодирующих ферменты, называется опероном К наиболее изученным оперонам относятся: лактозный(lac) –оперон, галактозный (gal) – оперон и триптофановый (trp) – оперон E. coli. Жакоб и Моно изучали механизмы экспрессии lac – оперона.

Регуляция транскрипции у прокариот • Позитивная регуляция оперона состоит в индукции транскрипции путем присоединения к промотору регуляторного комплекса. Репрессия этого оперона осуществляется с помощью белка – репрессора, который блокирует область оператора, когда нет необходимости в экспрессии

Регуляция транскрипции у эукариот • Модель регуляции транскрипции у эукариот предложили Бриттен и Дэвидсон Они показали позитивную регуляцию активности структурного гена, которую обеспечивает прилегающий к нему рецепторный сайт. Его строение соответствует строению молекулы активатора, который в данной модели представляет РНК, но может быть и белком. Активатор синтезируется в результате работы гена – интегратора, который является аналогом гена-регулятора у прокариот.

Регуляция транскрипции у эукариот Ø Полимеразы эукариот не способны связаться с промоторами самостоятельно • Для этого у эукариот имеются специальные белковые факторы транскрипции (TF- факторы)TF 1, TF-2 , TF 3 Ø Кроме белковых факторов транскрипции у эукариот имеются различные регуляторные последовательности: ТАТА-боксы (блок Хогнесса), энхансеры, сайленсеры, а также адаптерные элементы, которые проявляют избирательную чувствительность к различным факторам

Регуляция транскрипции у эукариот ( по Бриттену и Девидсону ) • Регуляция транскрипции К основным компонентам системы регуляции генов у эукариот относятся: • Ген – интегратор с сенсорным сайтом • Структурный ген с рецепторным сайтом, находящимся под контролем продукта гена- интегратора Интегратор

Регуляция транскрипции • Результат транскрипции у эукариот – первичный транскрипт, или гетерогенная ядерная РНК. (гя. РНК). • Содержит как информативные участки, так и неинформативные, которые в дальнейшем подвергаются преобразованию Результат транскрипции у прокариот - матричная РНК содержит только информативные участки

Экспрессия генов • Процессинг • У прокариот процессингу подвергаются предшественники т- РНК и р- РНК. В матричных РНК процессингу подвергаются 5' конец – происходит кэпирование, и 3' конец – происходит полиаденилирование. • У эукариот процессинг - это превращение первичного транскрипта г. я РНК в матричную РНК

Регуляция процессинга Процессинг у эукариот включает три момента v. Сплайсинг – вырезание неинформативных участков и сшивание информативных. В сплайсинге участвуют органоиды ядра- сплайсосомы, в состав которых входит мя – РНК и ферменты: рестриктазы – вырезают неинформативные участки и лигазы – сшивают информативные. Кэпирование и полиаденилирование

Экспрессия генов Процессинг Схема сплайсинга

Регуляция процессинга СН 3 5' - Г- Р – Р – АГГАГГУ АУГ ААГ ЦАА ГЦЦ АГЦ УАА - 3' POLY (A) У прокариот процессингу подвергаются предшественники т- РНК и р- РНК. В матричных РНК процессингу подвергаются 5' конец – происходит кэпирование, и 3' конец – происходит полиаденилирование. В результате процессинга образуется зрелая матричная РНК

Экспрессия генов • Активация аминокислот и транспорт Участвуют: Т - РНК Ферменты: Аминоацил - т - РНК - синтетазы Они обеспечивают посттранскрипционную регуляцию

Экспрессия генов • Активация аминокислот и транспорт Комплекс глутаминил-т. РНК- синтетазы Связывание т. РНК с глутаминовой т. РНК с аминокислотой и АТФ по данным рентгеноструктурного анализа

Трансляция • Происходит на рибосомах и включает три стадии: • Инициация • Элонгация • Терминация Каталитические центры располагаются на рибосоме в нескольких участках

Инициация трансляции • Малая субчастица узнаёт матричную РНК и её кодон - инициатор – АУГ; • Инициаторная т. РНК, узнаёт малую субчастицу рибосомы с помощью белковых факторов инициации; • Образуется комплекс: малая субчастица рибосомы + м. РНК. + т. РНК. • Белковые факторы инициации уступают место большой субчастице. • Происходит сборка рибосомы

Элонгация трансляции Общая схема процесса Стадии трансляции элонгации

Регуляция трансляции • Трансляция зависит от каталитических центров рибосомы Каталитические центры рибосомы 1 -участок связывания с м. РНК; 2 –Транслокационный участок 3 – Уч-к связывания боковых петель т. РНК; 4 - Участок образования пептидных связей; 5 Участок связ- я белка 5 S

Регуляция трансляции Расположение функциональных участков на м. РНК

Регуляция трансляции • Регуляция железом трансляции • м. РНК ферретина

Терминация трансляции Стадии терминации

Посттрансляционная регуляция Экспрессия генов ПОМК ( проопиомеланокортин) Транскрипция Сплайсинг Передняя доля Трансляция γ-МСГ β-МСГ Процессинг N-концевой участок β-липотропин АКТГ Промежуточная доля α-МСГ β- Эндорфин

Перечислите все функциональные гены. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!