Будова гена про- та еукаріотів

МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ.

РЕАЛІЗАЦІЯ СПАДКОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ.

 

Під терміном “ген” розуміють послідовність нуклеотидів у ДНК, яка обумовлює певну функцію в організмі або забезпечує транскрипцію іншого гена.Отже, одна і та ж ДНК-послідовність може кодувати не один, а декілька різних поліпептидів. Макромолекули ДНК контролюють синтез білків, що є основною речовиною клітини. Інформація від ДНК передається до так званої інформаційної РНК (і-РНК). Інформаційна РНК синтезується в ядрі і переходить у рибосоми – органоїди клітини, розміщені, в основному, на мембрані ендоплазматичної сітки. У рибосомах і-РНК вступає у взаємозв’язок із рибосомальною РНК і служить матрицею, на якій синтезується білок. Виявляється, що ця інформація, яка спочатку записана у вигляді послідовності нуклеотидів у молекулі ДНК, записана у вигляді специфічної послідовності нуклеотидів в інформаційній РНК і переводиться в специфічну послідовність амінокислот у молекулі білка.

У 1909 р. В. Іоганнсен запропонував назвати складові спадковості генами (від грец. γένος – нащадок, народження). Цей термін у генетиці набув визнання і став загальноприйнятим. Проте В. Іоганнсен не пов’язував розташування генів у хромосомах клітинного ядра. Докорінних змін уявлення про ген набули в результаті робіт Т. Моргана і його учнів. Поняття гена в хромосомній теорії спадковості отримало матеріальне підґрунття. Перш за все було доведено зв’язок генів з хромосомами. Потім встановлено, що гени розташовані в хромосомах лінійно, утворюючи групи зчеплення. Між генами, які знаходяться в одній парі гомологічних хромосом, завдяки кросинговеру може відбуватися рекомбінація. Частота рекомбінацій є функцією відстані між генами.

У хромосомній теорії спадковості ген уявлявся як елементарна одиниця спадковості, мутації і рекомбінації. Проте пізнішими дослідами (М.П. Дубінін, О.С.Серебровський та ін.) було доведено, що ген не можна розглядати як корпускулу, неподільну частку спадкового матеріалу. Ген у дійсності має більш складну будову. Уявлення про складну будову гена викладено в центровій теорії гена.

Подальше вивчення структури і функції гена показало, що ген є ділянкою хромосоми і контролює розвиток конкретної ознаки. Він має певну довжину, складається з окремих різних за функцією одиниць, які можуть розділятися кросинговером і самостійно мутувати. За пропозицією американського фізика і генетика С. Бензера в 1957р. були введені три нові поняття гена: рекон, мутон і цистрон.

Одиниця рекомбінації генів – рекон. С. Бензер довів, що ген складається з великої кількості дуже дрібних, здатних до рекомбінації одиниць. Допускається, що кросинговер може відбуватися між двома сусідніми нуклеотидами і тоді величину рекона слід визнати рівною одному нуклеотиду. Отже, найменший, здатний до рекомбінації структурний елемент гена, довжина якого вже не поділяється кросинговером може вважатися за одиницю рекомбінації. Бензер назвав її реконом. Вважають, що рекон складається з однієї або кількох пар мононуклеотидів.

Одиниця мутаці генів – мутон. Найменша ділянка молекули ДНК, зміна якої спричиняє генні або точкові мутації, отримала назву мутон. Спочатку вважалося, що мутон – це група, яка складається з п’яти нуклеотидів. Пізніше було доведено, що мутон відповідає одному нуклеотиду. У ряді робіт пропонується замінити термін мутон на одиницю мутації – сайт (site). Вважають, що сайт складається не з одного, а з декількох нуклеотидів.

Одиниця функції генів – цистрон – найменша функціональна одиниця, далі неподільна на доповнюючі одна одну ділянки. Складне функціональне поєднання кількох генів, що бере участь у передаванні спадкової інформації про будову певної білкової молекули.

Згідно із сучасним уявленням ген – універсальна структурна одиниця живої матерії, яка, завдяки закодованій у ній інформації, забезпечує єдність і різноманітність існуючих форм живого, контролює клітинний обмін (метаболізм), спадковість, еволюцію. Тобто, ген є структурою (певною ділянкою молекули ДНК), яка кодує яку-небудь окрему ознаку клітини. За хімічною природою ген – це ділянка молекули ДНК, на кожному ланцюгу якої у певній послідовності розміщені три нуклеотидні кодони – “кодові слова”, що визначають порядок розміщення амінокислотних залишків при синтезі поліпептидного ланцюга. Кожний ген займає на хромосомі певне місце – локус. Сукупність генів формує генотип. Генотип вірусів містить десятки генів, у бактерій їх сотні, у вищих організмів десятки і сотні тисяч. Всі гени бактерій, як правило, знаходяться в одній хромосомі й об’єднані у функціональні блоки, що контролюють усі ланки метаболізму в бактеріальних клітинах.

В еукаріот, крім ядерних генів, є також нехромосомні гени, які локалізуються в клітинних органелах (мітохондріях, пластидах) і контролюють синтез білків, що забезпечує їх  функціонування. Залежно від функцій розрізняють структурні гени (цистрони) та регуляторні (ген-регулятор, ген-оператор). На структурних генах здійснюється синтез (транскрипція) інформаційних (матричних) РНК (мРНК), у послідовності нуклеотидів яких (триплетів) закодована первинна структура поліпептидних ланцюгів (послідовність розміщення амінокислотних залишків). Якщо білок має олігомерну структуру (два і більше поліпептидних ланцюгів), синтез окремих поліпептидних ланок здійснюється на кількох цистронах, які можуть бути розміщені поряд, або знаходяться на різних ділянках геному. Гени-оператори і гени-регулятори разом із групою структурних генів (цистронів) утворюють узгоджено діючі блоки – оперони, які є одиницею транскрипції.

Одним із важливих досягнень у генетиці в 60-х роках було відкриття генетичного коду (Пішак, Захарчук, 2011)

Більшість генів мають до 50000 пар нуклеотидів.

Ген як одиниця генетичної інформації забезпечує такі функції:

•      зберігання спадкової інформації;

•      керування біосинтезом білків та інших спо­лук у клітині;

•      редуплікації ДНК і РНК (подвоєння генів під час поділу);

•      репарації (відновлення) пошкоджених ДНК і РНК;

•      забезпечення спадкової мінливості клітин і організмів;

•      контроль за індивідуальним розвитком клітин і організмів;

•      явище рекомбінації.       

Класифікація генів.

Накопичені знання про структуру, функції, характер взаємодії, експресії, мутабільності та інші властивості генів породили кілька варіантів класифікації генів. За місцем локалізації генів у структурах клітини розрізняють розташовані в хромосомах ядра ядерні гени і цитоплазматичні гени, локалізація яких пов’язана з хлоропластами і мітохондріями.

 

Будова гена еукаріотів у хромосомах.

Кожна інтерфазна хромосома має одну молекулу ДНК, що містить велику кількість гені. Геном людини містить 3,5 х 109 нуклеотидних пар, яких достатньо для утворення 1,5 млн. генів. Однак дослідження показують, що організм людини має приблизно 35000-40000 генів. Це означає, що в організмі використовується тільки близько 1 % нуклеотидних послідовностей ДНК, тільки 1 % записаної інформації. Значна частина геному використовується для здійснення процесів ембріонального розвитку, диференціювання, росту і надалі не експресується. Інша частина надлишкової ДНК входить до складу інтронів. І ще більша частина ДНК подана численними повторами послідовностей, що не мають змісту (сателітна ДНК) ). Таким чином, ДНК еукаріотів можна розділити на два типи послідовностей нуклеотидів. Це неповторювані (унікальні) та повторювані послідовності. До першого типу відносяться гени, що кодують білки. Повторювані послідовності зустрічаються з частотою від 2 до 107 на одну клітину. У ссавців більше половини геномної ДНК належить до типу унікальних по­слідовностей.

Гени в ДНК розташовані у лінійному порядку. Кожний ген має своє місце розташування (локус). Теломерні та центромерні ділянки хромосом не містять генів. Аналогічне розташування алелів характерне для гомологічної хромосоми.

За способами організації нуклеотидів у ДНК, її можна розділити на такі фрагменти: 1) структурні гени; 2) регуляторні гени; 3) сателітна ДНК; 4) спейсерна ДНК; 5)кластери генів;6)повторювані гени.

У залежності від структури та функцій нуклеотидні послідовності можуть бути кількох типів.

Структурні гени несуть інформацію про структуру певних поліпептидів. Із цих ділянок ДНК транскрибується ІРНК, яка спрямовує синтез білків. Регуляторні гени контролюють і регулюють процес біосинтезу білка. Сателітна ДНК містить велику кількість повторюваних груп нуклеотидів, що не мають змісту і не транскрибуються. Поодинокі гени серед сателітної ДНК, звичайно, мають регуляторну або посилювальну дію на структурні гени. Кластери генів – це групи різних структурних генів у певній ділянці хромосоми, об’єднані загальними функціями. Наприклад, кластери п’ятьох різних гістонів повторюються 10-20 разів. Між такими кластерами знаходяться великі спейсерні ділянки, що не транскрибуються. їх роль до кінця не з’ясована.

Повторювані гени – один і той самий ген бага­торазово повторюється (декілька сотень раз); не відокремлюючись один від одного, вони створюють тандеми. Наприклад, гени р-РНК.

 Встановлення структури генів еукаріотів є одним із головних відкриттів кінця XX ст. Доведено, що структурний ген, який кодує білок, має дуже склад­ну будову. Розглянемо принцип його організації на прикладі гена (3-ланцюга гемоглобіну . На початку гена розташовані ділянки регуляції гена. Спочатку розташована ділянка промотора, відпові­дальна за приєднання РНК-полімерази та наступної ініціації транскрипції. Неспецифічні ділянки регуляції називають TATA-БОКС, що складається з багато­разово повторюваного тиміну й аденіну. Встановле­но, що РНК-полімераза приєднується до цієї послідов­ності так, що її активний центр розташовується над першим нуклеотидом, що зчитується. Ця ділянка складається із сайту-розпізнавання, сайту-зв’язування і сайту-ініціації. Комбінація нуклеотидів у промоторі специфічна і при порушенні рамки зчитування утворює “стоп”-кодони, що призводить до припинення транскрипції. У ділянці промотора розташований оператор, який може приєднувати фактори регуляції транскрипції. Далі розташована КЕП-послідовність ТТГЦТТАЦ, на якій ініціюється транскрипція й утворюється 5′-початкова ділянка РНК (сайт-ініціації транскрипції). Згодом розташований кодон ТАЦ (сайт-ініціації трансляції) з’являється в утвореній ІРНК. Між сайтом транскрипції і сайтом трансляції лежить проміжна ділянка ДНК, що скла­дається з 50 пар основ і називається лідерною послідовністю. Далі з’являється частина структур­ного гена, що складається з екзонів і інтронів. Спо­чатку розташований екзон, що містить 90 пар ос­нов, які кодують з першої по ЗО амінокислоти (3-ланцюга гемоглобіну. Далі знаходиться інтрон, що скла­дається із 130 пар основ, він не кодує амінокислоти. За ним міститься екзон, що складається із 222 пар основ, що кодують амінокислоти з 31 по 104. Далі розташований інтрон, що складається з 850 пар основ, за ним екзон, що містить 126 пар основ, які кодують амінокислоти 105-146. Після цього – кодон-термінації трансляції ТАА. Потім трейлер і сайт поліаденілування ААТААА, який необхідний для приєднання до РНК-транскрипту “хвоста” полі-А, який складається приблизно з 200-300 аденілових залишків. Ця ділянка ДНК необхідна для припинен­ня транскрипції. Послідовність термінатора транскрипції починається відразу за полі-А ділянкою і складається приблизно із 1000 нуклеотидів. Ця послідовність разом із полі-А зупиняє процес транскрипції. У межах послідовності транскрибуючого З’-кінця ДНК на відстані 600-900 нуклеотидів.

Транспортна РНК (т-РНК). Молекули т-РНК утворюються на спеціальних генах. Транспортні РНК короткі, однониткові, мають форму листка ко­нюшини  завдяки комплементарному сполученню основ на різних ділянках ланцюга, склада­ються з невеликого числа нуклеотидів – 75-90. Від загальної маси РНК на т-РНК припадає близько 10-15 %. Молекули т-РНК переносять до місць синтезу білків тільки відповідні їм амінокислоти з цитоплазми. Кожній амінокислоті відповідає своя т-РНК внаслідок особливостей нуклеотидної послідовності та просторової структури. Молекули т-РНК мають чотири важливі ділянки: а) транспортну; б) антикодон; в) ділянку приєднання фермента; г) ділянку зв’язування з рибосомою.

До транспортної ділянки приєднується специфічна амінокислота. Вона утворена двома комплементарними кінцевими ділянками РНК, 3′-кінець якої складається з семи пар основ, він довший і формує одноланцюгову ділянку, що закінчується послідовністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цієї групи приєднується амінокислота, що транспортується.

Антикодон складається з п’яти нуклеотидів. У центрі – три специфічних рибонуклеотиди (триплет). Азотисті основи антикодона мають комплементарний триплет на ланцюгу і-РНК, цей триплет називається кодоном. У період синтезу білка антикодон знаходить відповідний йому кодон на ІРНК і тимчасово приєднується до нього водневими зв’язками.

Ділянка приєднання ферменту – це спеціальна частина молекули т-РНК для специфічного зв’язування з ферментом аміноацил-т-РНК-синтетазою, що каталізує приєднання амінокислоти до молекули т-РНК.

Ділянка зв’язування з рибосомою – особлива частина молекули (певна послідовність нуклеотидів) т-РНК, що потрібна для прикріплення до рибосоми.

Ліворуч наведена схема спарювання основ у відповідних ділянках молекули (структура “конюшинового листка”), а праворуч – тривимірна модель конфігурації молекули. Один кінець молекули (акцепторний) призначений для приєднання амінокислот, а другий містить антикодон, що складається з трьох нуклеотидів.

Рибосомальна РНК (р-РНК). Рибосомальна РНК утворюється на спеціальних генах ДНК в ядерці. Рибосомальна РНК – велика одноланцюгова розгалужена молекула, що включає 3000-5000 нуклеотидів. Із загальної маси РНК на її частку припадає до 90 %. У каріоплазмі р-РНК і різні білки об’єднуються у співвідношенні 1:1 для утворення малих і великих субодиниць рибосом.

Рибосомальна РНК утворює структурний каркас рибосоми, їй належить важлива роль у процесі синтезу білків. Рибосомальна РНК забезпечує зв’язування іРНК з рибосомами за допомогою певних послідовностей нуклеотидів. Таким чином встанов­люється початок і рамка зчитування інформації з і-РНК. Багато білків рибосом виконують не тільки структурну, але й ферментативну функцію.

Таким чином, чотири різновиди нуклеїнових кислот мають багато спільного в будові, але виконують різноманітні функції. (Пішак, Захарчук 2011).

Концепція оперону в регуляції генів у прокаріотів

У 1961 р. французькі біологи Ф. Жакоб і Ж. Моно запропонували механізм регуляції генів, який було названо гіпотезою оперона. Вони виявили, що до­давання лактози до культури Е.соlі індукує утворення відразу трьох ферментів: галактозидази, пермеази і трансацетилази, необхідних клітині для розщеплення лактози до глюкози і галактози.

Гени, що кодують ці ферменти, межують один з одним у хромосомі, їх назвали структурними генами, або цистронами. Вони транскрибуються РНК-полімера-зою в одну довгу і-РНК, що має кодони для всіх трьох ферментів. Інформаційна РНК, що транскрибується з декількох генів, називається поліцистронною. Функція цих цистронів контролюється ділянкою мо­лекули ДНК, яка називається оператором. Операторний локус — це певна ділянка послідовності нуклеотидів довжиною 27 пар основ. Даний сегмент ДНК розташований між промотором, до якого перед початком транскрипції приєднується РНК-полі-мераза, і початком першого структурного гена (3-галак-тозидази. Цистрон синтезує ІРНК, якщо оператор увімкнений, і припиняє синтез, коли він вимкнений. Оператор вмикається або вимикається білком, який назвали репресором, синтезованим регуляторним геном. Репресор або зв’язується з оператором і пригнічує його активність, або не зв’язується з ним, дозволяє виявляти активність структурним генам. Таким чином, репресор є негативним регулятором. Усі названі елементи функціонування генів входять до складу оперона.

     Репресор не є обов’язковим для функціонування оперона, але він необхідний для регуляції його роботи. Таким чином, значення гена-регулятора полягає в тому, щоб за допомогою білка-репресора керувати функціонуванням структурних генів.

     Отже, оперон – це послідовність спеціальних функціональних сегментів ДНК та структурних генів, які кодують синтез певної групи білків одного ме­таболічного ланцюга, наприклад, ферментів гліколізу. Регульована одиниця транскрипції складається з наступних структурних частин: 1) ген-регулятор, який контролює утворення білка-репресора; 2) промотор – ділянка ДНК, до якої приєднується РНК-полімераза і з якої розпочинається транскрипція; 3) оператор – ділянка промотора, яка може зв’язувати репресор; 4) структурні гени – ділянки ДНК, які кодують іРНК конкретних білків; 5) термінаторна ділянка ДНК, яка несе сигнал про зупинку транскрипції (Пішак, Бажора 2009).

 

Особливості експресії генів в еукаріотів.

Принцип експресії та її регуляції однаковий як у про­каріотів, так і в еукаріотів. Однак останні, особливо багатоклітинні. – більш складні організми, тому ек­спресія їх генів складніша і дещо відрізняється за деталями.

У еукаріотів транскрипція здійснюється з ділянок, подібних оперона прокаріотів і також складаються з регуляторних і структурних генів, однак у оперонів еукаріот є ряд особливостей:

1. До складу оперона еукаріот входить лише один структурний ген (а не кілька – як у прокаріотів).

2. Оперон еукаріот майже завжди містить тільки структурний ген, а інші гени розкидані по хромосомі або навіть розташовані у різних  хромосомах.

3. Оперон еукаріотів складається з розміщених почергово один з одним значущих (екзонів) і незначущих (інтронів) ділянок. При транскрипції інформація зчитуються як екзонів, так і  з інтронів, а потім у ході процесингу відбувається вирізання інтронів (сплайсинг).

Генетичний код ДНК. Унікальність кожної кліти­ни полягає в унікальності її білків. Клітини, що вико­нують різні функції, здатні синтезувати свої власні білки, використовуючи інформацію, що записана в молекулі ДНК. Ця інформація існує у вигляді особ­ливої послідовності азотистих основ у ДНК і нази­вається генетичним кодом. Знання про білки і нуклеїнові кислоти накопичувалися протягом тривалого часу. До середини XX століття їх стало достатньо для того, щоб висунути перші ідеї про природу генетичного коду. До 1953 року було відомо, що окремі білки мають унікальні амінокислотні послідовності і що, мабуть, не існує ніяких обмежень щодо порядку амінокислот в поліпептиді.. Були дані про те, що білки складаються приблизно з 20-23 різних амінокислот, однак списки розрізнялися в різних авторів. У генетиці була сформована концепція «один ген – один фермент» (більш точно «один ген – один поліпептид»), також було встановлено, що гени це ДНК, а не білки.

      Послідовність нуклеотидів у молекулі ДНК кодує певну послідовність нуклеотидів в ІРНК. Кожний триплет нуклеотидів кодує одну конкретну амінокис­лоту. Внаслідок трансляції, на основі генетичного коду на рибосомах синтезується необхідний білок.

Чотири азотистих основи в комбінаціях по 3, тобто 4³, можуть утворити 64 різних код они. У молекулі ДНК кожна основа входить до складу лише одного кодону. Тому код ДНК не перекривається. Кодони розташовуються один за одним безперервно. Оскільки можливих варіантів кодонів 64, амінокислот – 20, то певні амінокислоти можуть кодуватися різними триплетами (кодонами-синонімами). Внаслідок цього генетичний код називають виродженим або надмірним.

Є декілька амінокислот, які кодуються  різними кодонами (наприклад, амінокислота аланін кодується триплетами ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ГЦГ). Поряд з ними є амінокислоти, які кодуються двома триплетами, і тільки дві амінокислоти – одним. Однак кожний триплет кодує тільки одну певну амінокислоту, що свідчить про його специфічність. Крім того, деякі триплети (АТТ, АЦТ, АТЦ) не кодують амінокислоти, а є своєрідними “точками” термінації процесу зчитування інформації. Якщо процес синтезу доходить до такої “точки” в молекулі ДНК, синтез даної РНК припиняється. Встановлено кодони для всіх 20 амінокислот.

Послідовність триплетів у ДНК визначає порядок розташування амінокислот у молекулі білка, тобто має місце колінеарність. Це означає, що положення кожної амінокислоти в поліпептидному ланцюгу залежить від положення триплету в ДНК. Численними дослідженнями встановлена універсальність генетичного коду. Він однаковий для всіх живих організмів, від бактерій до рослин і ссавців. Тобто у всіх живих організмів той самий триплет кодує ту ж амінокислоту. Це один з найбільш переконливих доказів спільності походження живої природи.

Таким чином, генетичний код ДНК має такі фундаментальні характеристики: 1) триплетність (три сусідні азотисті основи називаються кодоном і кодують одну амінокислоту); 2) специфічність (кожний окремий триплет кодує тільки одну певну амі­нокислоту); 3) неперекривність (жодна азотиста основа одного кодону ніколи не входить до складу іншого кодону); 4) відсутність розділових знаків (генетичний код не має “пунктуаційних позначок” між кодуючими триплетами у структурних генах); 5) універсальність (даний код он у ДНК або ІРНК визначає ту саму амінокислоту в білкових системах всіх організмів від бактерій до людини); 6) надмірність (одна амінокислота часто має більш ніж один кодовий триплет); 7) колінеарність (ДНК є лінійним полінуклеотидним ланцюгом, а білоклінійним поліпептидним. Послідовність амінокислот у білку відповідає послідовності триплетів у його гені. Тому ген і поліпептид, який він кодує, називають колінеарними); 8) відповідність гени – поліпептиди  (Пішак, Бажора, 2009)

Основні етапи транскрипції:

1. Ініціація. За сигналом з цитоплазми певна ділянка подвійної спіралі ДНК розкручується і розділяється на два ланцюги. Це відбувається за допомогою ферменту гелікази, що зв’язується з ДНк. Ферменти РНК-полімерази забезпечу­ють утворення РНК, що зростають у довжину по мірі просування ферменту уздовж нитки ДНК.

РНК-полімераза починає синтезувати новий ланцюг біля спеціального старт-сигналу ДНК, що на­зивається промотором, і закінчує його біля стоп-сиг­налу (сигнал термінації), після чого полімераза та синтезований готовий ланцюг РНК відокремлюються один від одного. Ділянка ДНК між промотором і термінатором, яка транскрибується, називається  одиницею транскрипції. . Молекула РНК, яка при цьому утворюється, називається  первинним транскриптом або про-іРНК.

Швидкість полімеризації при 37 °С складає приблизно ЗО нуклеотидів за 1 сек., тому синтез ланцюга РНК довжиною 5000 нуклеотидів триває близько 3 хв.

Один з двох ланцюгів ДНК, на якому йде транскрипція, називається кодуючим ланцюгом. Другий ланцюг ДНК називається ланцюгом, що не кодує. Для різних білків кодувати можуть як один, так і другий ланцюги ДНК.

Процесинг. Молекулярні механізми, пов’язані з “дозріванням” різних типів РНК, називаються процесингом. Вони здійснюються в ядрі перед ви­ходом РНК із ядра в цитоплазму.

У процесі “дозрівання” ІРНК спеціальні ферменти вирізають інтрони і зшивають активні ділянки, що залишилися (екзони). Цей процес називається сплайсингом. Тому послідовність нуклеотидів у дозрілої ІРНК не є цілком комплементарною нуклеотидам ДНК. В ІРНК поруч можуть стояти такі нуклеотиди, комплементарні яким нук-леотиди в ДНК знаходяться один від одного на значній відстані.

Сплайсинг – дуже точний процес. Його порушення змінює рамку зчитування при трансляції, що призводить до синтезу іншого пептиду. Точність вирізання інтронів забезпечується розпізнаванням ферментів певних сигнальних послідовностей нуклеотидів у молекулі про-іРНК.

Процес синтезу білків (трансляція), як реплікація і транскрипція, умовно поділяється на три етапи: ініціацію, елонгацію і термінацію.

Схема трансляції

1. Ініціація. Розпочинається з активації аміно­кислот. Амінокислоти (АК) в цитозолі клітини вступають в реакцію з АТФ. Цей комплекс називається активованою амінокислотою. Так формується АК-АМФ-комплекс. Реакцію каталізує фермент аміно-ацил-тРНК-синтетаза. Для кожної амінокислоти існує свій особливий фермент.

Процеси ініціації вимагають присутності специфічних факторів ініціації, що мають білкову природу та володіють регуляторною активністю.

 

2. Елонгація (подовження поліпептидного ланцюга). Друга, навантажена, наприклад, проліном, т-РНК з’єднується з рибосомою на ділянці А.  її антикодон зв’язується з комплементарним кодоном ланцюга ІРНК. На ділянці  П метіонін звільняється від своєї т-РНК і з’єднується пептидним зв’язком з проліном Процес каталізує фермент пептидилтрансфераза. У цьому процесі зв’язок між першою амінокислотою та її т-РНК розривається і -СООН група першої амінокислоти утворює пептидний зв’язок з вільною –NH₂ групою другої амінокислоти. Таким чином, друга т-РНК уже несе дипептид. Перша т-РНК, тепер вільна, відокремлюється від П-ділянки рибосоми і повертається у загальний фонд т-РНК у цитоплазмі. Тут вона може знову зв’язуватися зі своєю амінокислотою.

3. Термінація (закінчення синтезу та вивільнення поліпептидного ланцюга). У кінці ланцюга і-РНК знаходиться один із “стоп”-кодонів (УАА, УАГ, УГА). Вони не розпізнаються жодною т-РНК. Фактор термінації (спеціальний білок) приєднується до цього кодону і блокує подовження поліпептидного ланцюга. Як наслідок, до останньої амінокислоти синтезованого білка приєднується вода і її карбоксильний кінець відокремлюється від т-РНК. Зв’язок між останньою т-РНК і поліпептидним ланцюгом розривається спеціальними ферментами – факторами вивільнення. Рибосома відокремлюється від ланцюга і РНК і розпадається на дві субодиниці. Синтезований поліпептид звільняється і потрапляє в цитоплазму. Кожна молекула ІРНК транскрибується декілька разів, а згодом руйнується. Середній час “життя” і-РНК складає приблизно 2 хв. Вибірково руйнуючи старі й створюючи нові ІРНК, клітина може регулювати як якісний, так і кількісний склад білків, а значить, рівень і спрямованість метаболізм.

Посттрансляційна модифікація білка як основа для їх функціонування. Вивільнений поліпептид – це прямолінійна молекула, що не має метаболічної активності. Синтезовані з амінокислот поліпептидні ланцюги надалі можуть надходити в цитоплазму, ендоплазматичну сітку або комплекс Гольджі, де завершується формування білкової молекули. У процесі “дозрівання” вона може втрачати деякі кінцеві амінокислоти за допомогою ферменту екзопептидази, а згодом утворювати вторинну і третинну структури. Молекули можуть об’єд­нуватися з іншими поліпептидами для утворення четвертинної структури складних білків. Синтезовані молекули об’єднуються з вуглеводними або ліпідними молекулами, вбудовуються в біомембрани або інші комплекси клітини.

 

Сучасний стан досліджень теорії гена.

Внаслідок досліджень елементарних одиниць спадковості  виникли поняття, що носять  загальну назву теорії гена. Основні положення цієї теорії такі:

1. Ген займає певну ділянку (локус) у хромосомі.

2. Ген (цистрон) – частина молекули ДНК, що має певну послідовність нуклеотидів і є функціональною одиницею спадкової інформації. Кількість нуклеотидів, які входять до складу різноманітних генів, різна.

3. Всередині гена можуть відбуватися рекомбінації (відповідні ділянки цистрона рекони) і мутації (відповідні ділянки цистрона мутони).

4. Існують структурні і регуляторні гени.

5. Структурні  гени кодують синтез білків.

6. Регуляторні гени контролюють і спрямовують діяльність  структурних генів.

7. Ген не бере участі в синтезі білків, він є матрицею для утворення посередників різних молекул РНК, які  безпосередньо беруть участь у синтезі.

8. Розташування  триплетів із нуклеотидів у

структурних генах колінеарне до амінокислот у поліпептидному ланцюгу, який кодується даним геном.

9. Молекули ДНК здатні до  репарації, тому не всі пошкодження гена  ведуть до мутації.

10. Генотип є  дискретним (складається з окремих генів), але функціонує як єдине ціле. На функцію генів впливають фактори як внутрішнього, так і

зовнішнього середовища (Пішак, Захарчук, 2011).

Молекулярні  механізми  мінливості в людини.

Мінли́вість — здатність живих організмів набувати нових ознак, відмінних від предків і їхніх станів у процесі індивідуального розвитку. Розрізняють декілька типів мінливості:

·                   Спадкову і неспадкову (модифікаційну або фенотипну).

·                   Індивідуальну (відмінність між окремими особинами) і групову (між групами особин, наприклад, різними популяціями даного виду). Групова мінливість є похідною від індивідуальної.

·                   Якісну і кількісну

·                   Спрямовану і неспрямовану.

Мінливість є протилежним процесом спадковості. Вона забезпечує появу нових ознак та їхніх станів, завдяки чому утворюються нові види і відбувається історичний розвиток біосфери в цілому.

Мутаційна мінливість зумовлює зміну структури спадкових одиниць (генів, хромосом) та успадкування цих змін.

·                     Геномні (зміна кількості хромосом)

·                      Поліплоїдія (3n, 4n тощо)

·                      Гетероплоїдія (n+1, 2n+2 тощо)

·                     Хромосомні

·                      делеція – випадання ділянки хромосоми (втрачання певних спадкових властивостей);

·                      дуплікація – подвоєння ділянки хромосоми;

·                      інверсія – поворот ділянки хромосоми на 180°;

·                      транслокація – перенесення ділянки хромосоми на іншу хромосому;

·                     генні (зачіпання структури гена – мутону – ділянки, що складається з двох нуклеотидів).

Прикладом мутації є дезамінування цитозину в молекулах ДНК та утворення пари У-Г замість канонічної пари Ц-Г. Це зумовлюється деамінуванням цитозину внаслідок спонтанних хімічних реакцій. Загалом, мутації виявляються у фенотипі, тільки якщо вони є домінантними. Домінантні мутації пригнічують рецесивні мутації того ж роду. Проте, при чинниках навколишнього середовища, які не відповідають домінантним мутаціям, відбувається вивільнення рецесивних мутацій та успадкування цих змін – такий загальний механізм стабілізувального природного добору.

Мутаційна мінливість приймається синтетичною теорією еволюції як субстрат природного добору. Згідно з цією теорією, етапи природного добору поділяються на такі стадії:

1) Спочатку з’являється особина з новими властивостями (мутаціями);

2) Потім вона виявляється здатною або нездатною залишити нащадків;

3) Якщо особина залишає нащадків, то зміни у її генотипі закріплюються  (Пішак, Бажора, 2009).

 

Причини мутацій:

1.  Помилки реплікації. Вони виникають у випадку некомплементарного приєднання азотистих основ у процесі реплікації. Якщо помилки не буливиправлені ДНК-полімеразою, вони передаються нас тупним поколінням у процесі реплікації.

2.  Помилки рекомбінації. Порушення точності рекомбінацій ділянок ДНК при кросинговері веде дообміну невідповідними ділянками хромосом. Це призводить до порушення генного складу хромосом – хромосомних мутацій.

3.  Хімічні мутагени. Багато хімічних речовини можуть змінювати структуру ДНК. Наприклад,аналоги азотистих основ, включаючись у ДНК, можуть зупиняти реплікацію або порушувати комплементарність ланцюгів; формальдегід (НСОН) може “зшивати” між собою ДНК, РНК, білки; гідроксиламін (NH₂OH) – специфічно реагує з цитозином, а його деривати замість гуаніну зв’язують аденін; азотиста кислота (HNO₂) окиснює й пошкоджує азотисту основу ДНК.

4.  Фізичні мутагени. Зокрема, ультрафіолетове випромінювання (20СМ00 нм) викликає утворення димерів тиміну, що порушує структуру ДНК. В результаті зупиняється транскрипція, порушується реплікація. Іонізуюча радіація (рентгенівські промені, у-промені) порушують структуру пуринових основ і
фосфодиефірні зв’язки ДНК.

5.  Біологічні мутагени (наприклад, віруси, які мають здатність вмонтовувати свій ген у ДНК клітини хазяїна і змінювати вихідну структуру генетич­ного матеріалу).

6.  Спонтанні зміни (без видимих причин). Наприклад, спонтанне дезамінування цитозину й утворення при цьому урацилу призводить до порушення комплементарності і заміни однієї пари основ на іншу (Пішак, Бажора, 2009).