itthon » Földrajz » DNS és gének. A genetikai anyag kémiai szerveződése

DNS és gének. A genetikai anyag kémiai szerveződése

Először is, a genetikai anyagnak képesnek kell lennie arra, hogy önmagát reprodukálja, hogy c. a szaporodási folyamat során örökletes információkat továbbítanak, amelyek alapján egy új generáció kialakítására kerül sor. Másodszor, a tulajdonságok több generáción át tartó stabilitásának biztosítása érdekében az örökítőanyagnak állandó szerkezetűnek kell lennie. Harmadszor, az öröklődés és a változékonyság anyagának képesnek kell lennie a változások elsajátítására és azok reprodukálására, biztosítva az élő anyag történeti fejlődésének lehetőségét változó körülmények között. Az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja csak a meghatározott követelmények teljesülése esetén tudja biztosítani az élő természet létezésének és fejlődésének tartamát és folytonosságát.

A genetikai apparátus természetére vonatkozó modern elképzelések lehetővé teszik, hogy a szervezet három szintjét különböztessük meg: gén, kromoszómális és genomiális. Mindegyik feltárja az öröklődés és változékonyság anyagának alapvető tulajdonságait, átvitelének és működésének bizonyos mintázatait.

A nukleinsavak között kétféle vegyület van: dezoxiribonukleinsav (DNS) és ribonukleinsav (RNS). Az örökletes anyag fő hordozóinak - a kromoszómáknak - összetételének vizsgálata során kiderült, hogy kémiailag legstabilabb komponensük a DNS, amely az öröklődés és a változékonyság szubsztrátja. DNS szerkezet. J. Watson és F. Crick modell

A DNS áll nukleotidok, amelyek magukban foglalják a cukrot - dezoxiribózt, foszfátot és a nitrogénbázisok egyikét - purint (adenint vagy guanint) vagy pirimidint (timint vagy citozint) A DNS szerkezeti felépítésének sajátossága, hogy molekulái két polinukleotid láncot tartalmaznak egymással bizonyos módon. A DNS háromdimenziós modelljének megfelelően, amelyet J. Watson amerikai biofizikus és F. Crick angol biofizikus és genetikus 1953-ban javasoltak, ezek a láncok nitrogénbázisaik között hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a következő elve szerint: komplementaritás. Az egyik lánc adeninje két hidrogénkötéssel kapcsolódik egy másik lánc timinjéhez, és három hidrogénkötés jön létre a különböző láncú guanin és citozin között. A nitrogéntartalmú bázisok ilyen kapcsolata biztosítja a két lánc közötti erős kapcsolatot, és mindvégig egyenlő távolságot tart fenn közöttük. A DNS fő funkciója az, hogy örökletes információkat tároljon és továbbítson a pro- és eukarióta sejtekben. Vírusokban ezt a funkciót az RNA.NK látja el. A DNS felépítése és szerkezete. A DNS tulajdonságai.

1. Stabilitás. Hidrogén-, glikozid- és foszfodiészter kötések, valamint a spontán és indukált károsodások helyreállítási mechanizmusa biztosítja;

2. Replikációs képesség. Ennek a mechanizmusnak köszönhetően a kromoszómák diploid száma megmarad a szomatikus sejtekben. A DNS mint genetikai molekula összes felsorolt jellemzője vázlatosan látható az ábrán.

3. Genetikai kód jelenléte. A DNS-ben lévő bázisok szekvenciája transzkripciós és transzlációs folyamatokon keresztül átalakul egy polipeptidláncban lévő aminosavszekvenciává;
4. Genetikai rekombinációs képesség. Ennek a mechanizmusnak köszönhetően a kapcsolt gének új kombinációi jönnek létre.

Javítás- a sejtek speciális funkciója, amely abban áll, hogy képesek kijavítani a sejtben a normál DNS-bioszintézis során, illetve a fizikai vagy kémiai hatások következtében károsodott DNS-molekulák kémiai károsodását és töréseit. Ezt a sejt speciális enzimrendszerei végzik. Számos örökletes betegség (pl. xeroderma pigmentosum) összefügg a javítórendszerek rendellenességeivel.

DNS replikáció- a dezoxiribonukleinsav leánymolekula szintézise a kiindulási DNS-molekula mátrixán. Az anyasejt ezt követő osztódása során minden leánysejt egy olyan DNS-molekulát kap, amely megegyezik az eredeti anyasejt DNS-ével. Ez a folyamat biztosítja, hogy a genetikai információk pontosan adódnak nemzedékről nemzedékre. A DNS-replikációt egy 15-20 különböző fehérjéből álló komplex enzimkomplex végzi, az úgynevezett repliszóma.

Genetikai kód a fehérjék és polipeptidek szerkezetére vonatkozó információk rögzítése a DNS-molekula egyedi szakaszaiban. Crick és munkatársai azt javasolták, hogy az információkat kodonoknak nevezett blokkokon keresztül fejezzék ki. Azt javasolták, hogy a kodonoknak legalább 3 nukleotidot kell tartalmazniuk. Miért? A természetben 20 különböző aminosav található, amelyek az összes fehérjét alkotják. 20 aminosavváltozat titkosításához a genetikai kódnak legalább 3 nukleotidot kell tartalmaznia, mert két nukleotidból csak 4 = 16 variáns kombinálható, három nukleotidból pedig 43 = 64 variáns. A genetikai kód teljes dekódolása a 20. század 60-as éveiben történt. Kiderült, hogy a tripletek 64 lehetséges változata közül 61 különböző aminosavakat kódol, 3 pedig értelmetlen, vagy STOP kodon: UAG, UAA, UGA kodon, amelyeknél az örökletes információ olvasása leáll (4.6. ábra).

A genetikai kód tulajdonságai

1. Triplety: minden kodon 3 nukleotidot tartalmaz^

2. Univerzálisság: a Földön létező összes élőlénynek ugyanaz a genetikai kódja, amely minden élőlény eredetének egységét jelzi. Az AGA kodon az arginin aminosavat kódolja baktériumokban, emberekben és minden élőlényben.

3. Degeneráció; 61 hármas 20 aminosavhoz. Ebből következik, hogy egyes aminosavakat több hármassal kell titkosítani. Ez nagyon fontos, mert a nukleotid változás nem mindig eredményez aminosav változást). Például a valin aminosavat három triplet kódolja: GTT, GTC, GTA, GTG.

4. Specificitás: minden triplet csak 1 aminosavnak felel meg: GTT – csak valin. Az ATG kodon a startkodon (metionin).

5. Univerzálisság: a Földön létező összes élő szervezetnek ugyanaz a genetikai kódja, amely minden élőlény eredetének egységét jelzi. Az AGA kodon az arginin aminosavat kódolja baktériumokban, emberekben és minden élőlényben.

6. ^ Folytonosság és átfedésmentesség (rés nélkül olvasható).

Mátrix, vagy információ, RNS (mRNS vagy mRNS). Átírás. A meghatározott tulajdonságokkal rendelkező fehérjék szintetizálása érdekében „utasításokat” küldenek a felépítésük helyére az aminosavak peptidláncba való beépülésének sorrendjéről. Ezt az utasítást a templát vagy hírvivő RNS (mRNS, mRNS) nukleotidszekvenciája tartalmazza, amelyet a DNS megfelelő szakaszaiban szintetizálnak. Az mRNS szintézis folyamatát transzkripciónak nevezik. Az mRNS szintézise a DNS-molekula egy speciális régiójának RNS-polimeráz általi detektálásával kezdődik, amely jelzi a transzkripció kezdetének helyét - a promotert. A promóterhez való kötődés után az RNS-polimeráz letekerteti a DNS-hélix szomszédos fordulatát. Ezen a ponton két DNS-szál válik szét, és az egyiken az enzim mRNS-t szintetizál. A ribonukleotidok láncba építése a DNS-nukleotidokkal való komplementaritásuknak megfelelően történik, és a DNS-templát szálhoz képest antiparallel módon történik. Tekintettel arra, hogy az RNS-polimeráz csak az 5"-től a 3"-os végig képes polinukleotidot összeállítani, a két DNS-szál közül csak az egyik, vagyis az, amelyik a 3"-os végével az enzim felé néz, szolgálhat templátként. transzkripcióhoz ( 3" → 5"). Az ilyen láncot kodogénnek nevezzük. Egy DNS-molekulában két polinukleotid lánc antiparallel kapcsolata lehetővé teszi az RNS-polimeráz számára az mRNS szintéziséhez szükséges templát helyes kiválasztását.

A kodogén DNS-lánc mentén haladva az RNS-polimeráz fokozatosan pontosan újraírja az információkat, amíg nem találkozik egy specifikus nukleotidszekvenciával - egy transzkripciós terminátorral. Ebben a régióban az RNS-polimeráz mind a DNS-templáttól, mind az újonnan szintetizált mRNS-től elválik (3.25. ábra). A DNS-molekula egy fragmentuma, amely egy promotert, egy átírt szekvenciát és egy terminátort tartalmaz, egy transzkripciós egységet – egy transzkripciót – képez.

A szintézis folyamata során, ahogy az RNS-polimeráz a DNS-molekula mentén mozog, az egyszálú DNS-szakaszok, amelyeken áthaladt, ismét kettős hélixté egyesülnek. A transzkripció során keletkezett mRNS a DNS megfelelő szakaszában rögzített információk pontos másolatát tartalmazza. Az aminosavakat kódoló szomszédos mRNS nukleotidok hármasait kodonoknak nevezzük. Az mRNS kodonszekvenciája a peptidlánc aminosav-szekvenciáját kódolja. Az mRNS kodonjai bizonyos aminosavaknak felelnek meg. Az mRNS transzkripciójának templátja a kodogén DNS-lánc, amely 3"-os végével az enzim felé néz. I - a promoter régió kimutatása a DNS-molekulában és a DNS-hélix feltekerése; II. - RNS-lánc szintézis beindítása az első két ribonukleozid-grifoszfát megkötésével; III - RNS-láncok kiterjesztése 5" → 3" irányban ribonukleozid-foszfátok kapcsolásával; IV - a szintetizált RNS 5"-os végének felszabadulása és a DNS kettős helyreállítása helix; V - az RNS szintézis befejezése a terminátor régióban, a polimeráz elválasztása a teljes RNS-lánctól

^ RNS (tRNS) átvitele. Adás. A transzfer RNS (tRNS) fontos szerepet játszik abban a folyamatban, hogy egy sejt örökletes információkat használ fel. Azáltal, hogy a tRNS a peptidláncok összeállításának helyére juttatja a szükséges aminosavakat, transzlációs közvetítőként működik.A tRNS molekulák bizonyos DNS-szekvenciákon szintetizált polinukleotid láncok. Viszonylag kis számú nukleotidból állnak -75-95. A tRNS polinukleotid lánc különböző részein elhelyezkedő bázisok komplementer kombinációjának eredményeként lóherelevél alakú szerkezetet kap, négy fő részből áll, amelyek különböző funkciót látnak el. Az akceptor „szárat” a tRNS két, egymással komplementer módon összekapcsolt terminális része alkotja. Hét bázispárból áll. Ennek a szárnak a 3"-os vége valamivel hosszabb, és egyszálú régiót képez, amely egy szabad OH-csoportot tartalmazó CCA-szekvenciával végződik. A transzportált aminosav ehhez a véghez kapcsolódik. A fennmaradó három ág komplementer páros nukleotidszekvenciák, amelyek véget érnek párosítatlan régiókban, amelyek hurkokat alkotnak.A középső ág - antikodon - öt pár nukleotidból áll, és a hurok közepén egy antikodont tartalmaz.Az antikodon három nukleotid, amely komplementer a szállított aminosavat kódoló mRNS kodonnal ezzel a tRNS-sel a peptidszintézis helyére.

Az akceptor és az antikodon ág között két oldalág van. A hurkokban módosított bázisokat -dihidrouridint (D-hurok) és egy TψC triplettet tartalmaznak, ahol \y pszeudouridin (T^C-hurok). Az aitikodon és a T^C elágazás között egy további hurok található, amely 3-5-13-21 nukleotidot tartalmaz.Általában a tRNS különböző típusait a nukleotidszekvencia bizonyos állandósága jellemzi, amely legtöbbször 76 nukleotidból áll. . Számuk eltérése főként a további hurokban lévő nukleotidok számának változásából adódik. A tRNS szerkezetét támogató komplementer régiók általában konzerváltak. A tRNS primer szerkezete, amelyet a nukleotid szekvencia határoz meg, a tRNS másodlagos szerkezetét alkotja, amely lóherelevél alakú. A másodlagos szerkezet viszont meghatározza a háromdimenziós harmadlagos szerkezetet, amelyet két, egymásra merőlegesen elhelyezkedő kettős hélix képződése jellemez (3.27. ábra). Az egyiket az akceptor és a TψC ág, a másikat az antikodon és a D ág alkotja.

A transzportált aminosav az egyik kettős hélix végén, az antikodon pedig a másik végén található. Ezek a területek a lehető legtávolabb helyezkednek el egymástól. A tRNS harmadlagos szerkezetének stabilitását a polinukleotid lánc különböző részein elhelyezkedő, de a tercier szerkezetben térben közeli bázisai között további hidrogénkötések megjelenése tartja fenn.

A tRNS különböző típusai hasonló harmadlagos szerkezettel rendelkeznek, bár bizonyos eltérésekkel.

^I - a tRNS másodlagos szerkezete „lóherelevél” formájában, amelyet elsődleges szerkezete (a láncban lévő nukleotidok szekvenciája) határoz meg;

II - a tRNS harmadlagos szerkezetének kétdimenziós vetülete;

III - a tRNS-molekula térbeli elrendezésének diagramja

A tRNS egyik jellemzője a szokatlan bázisok jelenléte, amelyek kémiai módosítás eredményeként keletkeznek, miután egy normál bázist beépítenek a polinukleotid láncba. Ezek a megváltozott bázisok meghatározzák a tRNS-ek nagy szerkezeti diverzitását szerkezetük általános tervében. A legnagyobb érdeklődésre számot tartanak az antikodont alkotó bázisok módosításai, amelyek befolyásolják az antikodonnal való kölcsönhatás specifitását. Például az atipikus bázis-inozin, amely néha a tRNS-antikodon 1. pozíciójában található, képes komplementeren kombinálódni az mRNS-kodon három különböző harmadik bázisával - U, C és A (3.28. ábra). Mivel a genetikai kód egyik jellemzője a degeneráltsága, sok aminosavat több kodon kódol, amelyek általában a harmadik bázisukban különböznek egymástól. A módosított antikodonbázis nem specifikus kötődése miatt egy tRNS több szinonim kodont is felismer.

Többféle tRNS létezését is megállapították, amelyek képesek ugyanahhoz a kodonhoz kötődni. Ennek eredményeként a sejtek citoplazmájában nem 61 (a kodonok száma szerint), hanem körülbelül 40 különböző tRNS-molekula található. Ez a mennyiség elegendő ahhoz, hogy 20 különböző aminosavat szállítson a fehérje-összeállítás helyére.

Az mRNS-ben egy specifikus kodon pontos felismerésének funkciója mellett a tRNS-molekula egy szigorúan meghatározott aminosavat juttat el egy adott kodon segítségével a peptidlánc szintézisének helyére. A tRNS specifikus kapcsolódása „az aminosavához” két szakaszban megy végbe, és egy aminoacil-tRNS nevű vegyület képződéséhez vezet, amely az első szakaszban az aminosav aktiválódik, a karboxilcsoportjával az ATP-vel kölcsönhatásba lépve. Ennek eredményeként adepilált aminosav képződik. A második szakaszban ez a vegyület kölcsönhatásba lép a megfelelő tRNS 3" végén található OH csoporttal, és az aminosav a karboxilcsoportjával kapcsolódik hozzá, AMP szabadul fel, így ez a folyamat a tRNS-ből nyert energia felhasználásával megy végbe. az ATP hidrolízise AMP-vé Az aminosav és a megfelelő antikodont hordozó tRNS közötti kapcsolat specificitása az aminoacil-tRNS szintetáz enzim tulajdonságainak köszönhető, a citoplazmában olyan enzimek egész sora található, amelyek képesek nak,-nek -

térbeli felismerése egyrészt aminosavának, másrészt a megfelelő tRNS-antikodonnak A DNS-molekulákba „rögzített” és az mRNS-re „újraírt” örökletes információ a transzláció során két specifikus folyamatnak köszönhetően megfejtődik. molekuláris felületek felismerése. Először is, az aminoacil-tRNS szintetáz enzim biztosítja a tRNS és az általa szállított aminosav összekapcsolását. Az aminoacil-tRNS ezután antikodon-kodon kölcsönhatások révén komplementeren párosul az mRNS-sel. A tRNS rendszer segítségével az mRNS nukleotid láncának nyelve. a Ribosomal RNS (rRNS) peptid aminosavszekvenciája fordítja le nyelvre. A fehérjeszintézis riboszómális ciklusa. Az mRNS és a tRNS közötti kölcsönhatás folyamata, amely biztosítja az információknak a nukleotidok nyelvéről az aminosavak nyelvére történő transzlációját, riboszómákon megy végbe, az utóbbiak rRNS és különböző fehérjék komplex komplexei, amelyekben az előbbiek egy keretrendszer. A riboszómális RNS-ek nemcsak a riboszómák szerkezeti alkotóelemei, hanem biztosítják azok kötődését az mRNS egy specifikus nukleotidszekvenciájához. Ez létrehozza a peptidlánc kialakulásának kezdő és leolvasási keretét. Ezenkívül biztosítják a riboszóma és a tRNS közötti kölcsönhatást. Számos riboszómát alkotó fehérje az rRNS-sel együtt szerkezeti és enzimatikus szerepet is betölt.A pro- és eukarióták riboszómái szerkezetükben és funkciójukban nagyon hasonlóak. Két részrészecskéből állnak: nagy és kicsi. Az eukariótákban a kis részszemcsét egy rRNS-molekula és 33 különböző fehérje molekula alkotja. A nagy alegység három rRNS-molekulát és körülbelül 40 fehérjét egyesít. A prokarióta riboszómák, valamint a mitokondriumok és plasztidok riboszómái kevesebb komponenst tartalmaznak, a riboszómák két barázdával rendelkeznek. Az egyik a növekvő polipeptidláncot, a másik az mRNS-t tartja. Ezenkívül a riboszómák két tRNS-kötőhellyel rendelkeznek. Az aminoacil A hely egy specifikus aminosavat hordozó aminoacil-tRNS-t tartalmaz. A peptidil P-hely általában tRNS-t tartalmaz, amely peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavláncokkal van feltöltve. Az A- és P-helyek kialakulását a riboszóma mindkét alegysége biztosítja, a riboszóma minden pillanatban átvizsgál egy körülbelül 30 nukleotid hosszúságú mRNS-szegmenst. Ez csak két tRNS kölcsönhatását biztosítja két szomszédos mRNS kodonnal.Az információk aminosavak „nyelvére” történő fordítása a peptidlánc fokozatos növekedésében fejeződik ki, az mRNS-ben található utasításoknak megfelelően. Ez a folyamat a riboszómákon megy végbe, amelyek a tRNS segítségével biztosítják a dekódoló információ szekvenciáját. A transzláció során három fázis különböztethető meg: a peptidlánc szintézisének beindítása, megnyúlása és befejezése.

^ Az iniciációs fázis, vagy a peptidszintézis kezdete két riboszóma-alrészecske egyesüléséből áll, amelyek korábban a citoplazmában az mRNS egy bizonyos szakaszán elkülönültek, és az első aminoacil-tRNS-hez kapcsolódnak. Ez beállítja az mRNS-ben lévő információ leolvasási keretét is. Bármely mRNS molekulájában, annak 5"-os végénél van egy olyan régió, amely komplementer a riboszóma kis alegységének rRNS-ével, és azt specifikusan felismeri. ehhez tartozik a metionin aminosavat kódoló indító OUT startkodon.A riboszóma kis alegysége úgy kapcsolódik az mRNS-hez, hogy az OUT startkodon a P-helynek megfelelő régióban helyezkedik el.Ebben az esetben csak a kiinduló metionint hordozó tRNS képes helyet foglalni a kis alegység befejezetlen P-helyén és komplementeren egyesülni a startkodonnal A leírt esemény után megtörténik a nagy alegység egyesülése és a riboszóma kis alrészecskéi a peptidil és aminoacil szakaszainak kialakulása

^ I - a riboszóma kis alrészének összekapcsolása mRNS-sel, kapcsolódás a metionint hordozó tRNS startkodonjához, amely a befejezetlen P-szakaszban található; II - a riboszóma nagy és kis részecskéinek összekapcsolása P- és A-helyek kialakulásával; a következő szakasz a benne található mRNS kodonnak megfelelő aminoacil-tRNS A-helyre történő elhelyezéséhez kapcsolódik - az elongáció kezdete; ak - aminosav.Az iniciációs fázis végén a P-helyet a metioninhoz kötött aminoacil-tRNS foglalja el, míg a riboszóma A-helyén a startkodont követő kodon található A transzláció leírt folyamatai Az iniciációt speciális fehérjék - iniciációs faktorok - katalizálják, amelyek rugalmasan kapcsolódnak a riboszóma kis alegységéhez. Az iniciációs fázis befejeződése és a riboszóma - mRNS - iniciáló aminoacil-tRNS komplex kialakulása után ezek a faktorok leválik a riboszómáról Az elongációs fázis, vagyis a peptid meghosszabbítás minden reakciót magába foglal az első peptidkötés kialakulásának pillanatától az első peptidkötés kialakulásáig. az utolsó aminosav hozzáadása. Ciklikusan ismétlődő eseményeket jelent, amelyek során az A-helyen található következő kodon aminoacil-tRNS-ének specifikus felismerése történik, és komplementer kölcsönhatás lép fel az antikodon és a kodon között.

A tRNS háromdimenziós szerveződésének sajátosságai miatt. amikor antikodonja mRNS kodonnal kombinálódik. az általa szállított aminosav az A-helyen helyezkedik el, közel a korábban a P-helyen található aminosavhoz. Két aminosav között peptidkötés jön létre, amelyet a riboszómát alkotó speciális fehérjék katalizálnak. Ennek eredményeként az előző aminosav elveszíti kapcsolatát tRNS-ével, és csatlakozik az A-helyen található aminoacil-tRNS-hez. Az ebben a pillanatban a P-helyen található tRNS felszabadul és a citoplazmába kerül A peptidlánccal megtöltött tRNS mozgása az A-helyről a P-helyre a riboszóma mRNS mentén történő előrehaladásával jár együtt. egy kodonnak megfelelő lépés. Most a következő kodon érintkezik az A hellyel, ahol specifikusan „felismeri” a megfelelő aminoacil-tRNS, amely oda helyezi el az aminosavát. Ez az eseménysor ismétlődik mindaddig, amíg a riboszóma A helyére meg nem érkezik egy terminátor kodon, amelynek nincs megfelelő tRNS. A peptidlánc összeépülése a hőmérséklettől függően meglehetősen nagy sebességgel megy végbe. Baktériumokban 37 °C-on 12-17 aminosav 1 másodpercenkénti hozzáadásával fejeződik ki az alpeptidhez. Eukarióta sejtekben ez az arány alacsonyabb, és 1 másodpercenként két aminosav hozzáadásával fejeződik ki.

^ A terminációs fázis vagy a polipeptid szintézis befejeződése ahhoz kapcsolódik, hogy egy specifikus riboszomális fehérje felismeri az egyik terminációs kodont (UAA, UAG vagy UGA), amikor az belép a riboszóma A-hely zónájába. Ebben az esetben a peptidlánc utolsó aminosavához vizet adnak, és annak karboxilvégét elválasztják a tRNS-től. Ennek eredményeként az elkészült peptidlánc elveszíti kapcsolatát a riboszómával, amely két részre bomlik.

Az öröklődés változékonysága. 1-2 Mendel törvénye

A lét folytonosságát és az élő természet történeti fejlődését az élet két alapvető tulajdonsága határozza meg: öröklődés és változékonyság.

Az élőlények szerveződésének sejtes és szervezeti (ontogenetikai) szintjén az öröklődés alatt a sejtek vagy organizmusok azon tulajdonságát értjük, hogy az önszaporodás folyamatában átadják egy új nemzedéknek egy bizonyos típusú anyagcsere képességét és képességét. egyedfejlődés, melynek során egy adott sejttípus és szervezettípus közös jellemzőit, tulajdonságait, valamint a szülők egyes egyéni jellemzőit alakítják ki. Az élő természet folyamatos fennmaradása a változó feltételek mellett lehetetlen lenne, ha az élő rendszerek nem lennének képesek bizonyos, új környezeti feltételek mellett hasznos változásokat megszerezni és fenntartani. Az élő rendszerek azon tulajdonságát, hogy változásokat szereznek és különböző változatokban léteznek, változékonyságnak nevezzük.

A 60-as években XIX század a genetika (az öröklődés és változékonyság tudományának) megalapítója G. Mendel (1865) megtette az első feltételezéseket az örökítőanyag szerveződéséről. Borsón végzett kísérleteinek eredményei alapján arra a következtetésre jutott, hogy az örökítőanyag diszkrét, i.e. az élőlények bizonyos jellemzőinek kialakulásáért felelős egyéni örökletes hajlamok képviselik. Mendel szerint az ivarosan szaporodó élőlények örökítőanyagában egy külön tulajdonság kialakulását egy pár allélhajlam biztosítja, amely mindkét szülő ivarsejtjével érkezett. Az ivarsejtek kialakulásakor az allél hajlampárból csak egy kerül mindegyikbe, így az ivarsejtek mindig „tiszták”. 1909-ben V. Johansen Mendel „örökletes hajlamainak” nevezte a géneket.

Mendel dominanciának nevezte a hibridekben csak az egyik szülő tulajdonságának megnyilvánulását.

Ha olyan organizmusokat keresztezünk, amelyek egy pár kontrasztos tulajdonságban különböznek egymástól, amelyekért egy gén alléljei felelősek, a hibridek első generációja fenotípusban és genotípusban egységes. A fenotípus szerint az első generáció valamennyi hibridje domináns tulajdonsággal rendelkezik, a genotípus szerint az első generációs hibridek mindegyike heterozigóta

A DNS egy összetett szerves vegyület, amely örökletes információ anyagi hordozója. Ez egy kettős, el nem ágazó lineáris polimer, amelynek monomerjei nukleotidok. A DNS-nukleotid egy nitrogénbázisból, egy foszforsavból és egy dezoxiribóz-szénhidrátból áll. Négyféle nukleotid létezik, amelyek nitrogénbázisban különböznek: adenin, amely magában foglalja az adenint, citozin - citozin, guanin - guanin, timin - timin. Az egyik DNS-szál nitrogéntartalmú bázisa hidrogénhíddal kapcsolódik egy másik DNS-szál bázisához, így A kapcsolódik T-hez, G pedig C-hez. Ezek komplementerek egymással. Ezen alapul a DNS tulajdonsága, ami megmagyarázza biológiai szerepét: az önreprodukciós képesség, i.e. az autoreprodukcióhoz. A DNS-molekulák autoreprodukciója polimeráz enzimek hatására megy végbe. Ebben az esetben a DNS-molekulák komplementer láncai feltekernek és szétválnak. Ezután mindegyik elkezd szintetizálni egy újat. Mivel a nukleotidokban lévő bázisok mindegyike csak egy szigorúan meghatározott szerkezetű nukleotidot tud kapcsolni, az anyamolekula pontos reprodukciója megy végbe.
A DNS fő biológiai funkciója a genetikai információ tárolása, folyamatos önmegújulása és továbbítása a sejtben.
A genetikai kód egy DNS-molekulában lévő nukleotidok elrendezésére szolgáló rendszer, amely szabályozza a DNS-molekulában lévő aminosavak sorrendjét. Maguk a gének nem vesznek részt közvetlenül a fehérjeszintézisben. A gén és fehérje közötti közvetítő az mRNS. A gén az mRNS-molekula felépítésének templátja. Az információ kódolását több nukleotid kombinációjával kell végrehajtani. 20 aminosavat találtak a fehérjék sokféleségében. Ilyen számú titkosításhoz elegendő számú nukleotid-kombinációt csak egy triplett kód biztosíthat, amelyben minden aminosav három szomszédos nukleotiddal van titkosítva. Ebben az esetben 4 nukleotidból 64 triplett képződik. A 64 DNS-hármasból 61 különböző aminosavakat kódol, a maradék 3-at értelmetlen, vagy értelmetlen hármasnak nevezik, ezek írásjelként működnek. A tripletek sorrendje határozza meg az aminosavak sorrendjét a fehérjemolekulában.
A genetikai kód tulajdonságai:
Degeneráltság. Ez abban nyilvánul meg, hogy sok aminosavat több hármas kódol.
Specifikusság. Minden triplet csak egy specifikus aminosavat kódolhat
Sokoldalúság. A biológiai evolúció folyamatában a Föld élőformáinak teljes sokfélesége eredetének egységének bizonyítéka.
E tulajdonságok mellett a genetikai kód legfontosabb jellemzője a kodonok folyamatossága és vitathatatlansága az olvasás során. Ez azt jelenti, hogy a nukleotidszekvenciát hármasonként, hézagok nélkül olvassák be, és a szomszédos hármasok nem fedik át egymást.

Az örökítőanyag kémiai természetének feltárását célzó kutatások ezt cáfolhatatlanul bebizonyították az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja aznukleinsavak, amelyeket F. Miescher (1868) fedezett fel a gennysejtek magjában. A nukleinsavak makromolekulák, azaz. nagy molekulatömegűek. Ezek monomerekből álló polimerek - nukleotidok, három összetevőből áll: cukor(pentóz), foszfátÉs nitrogén bázis(purin vagy pirimidin). Egy nitrogéntartalmú bázis (adenin, guanin, citozin, timin vagy uracil) kapcsolódik a C-1 pentózmolekula első szénatomjához, és egy foszfát kapcsolódik az ötödik szénatomhoz C-5 észterkötés segítségével; a harmadik szénatomnak C-3" mindig van egy hidroxilcsoportja - OH ( lásd diagramot ).

A nukleotidok nukleinsavmakromolekulává történő összekapcsolódása az egyik nukleotid foszfátjának és egy másik nukleotidjának hidroxilcsoportjának kölcsönhatása révén történik, így a foszfodiészter kötés(3.2. ábra). Ennek eredményeként polinukleotid lánc képződik. A lánc gerincét váltakozó foszfát- és cukormolekulák alkotják. A fent felsorolt nitrogénbázisok egyike a C-1 pozícióban kapcsolódik a pentózmolekulákhoz (3.3. ábra).

Rizs. 3.1. Nukleotid szerkezeti diagram

A polinukleotid lánc összeállítása a polimeráz enzim részvételével történik, amely biztosítja a következő nukleotid foszfátcsoportjának kapcsolódását az előző nukleotid 3" pozíciójában lévő hidroxilcsoporthoz (3.3. ábra). a nevezett enzim hatásának specifikussága mellett a polinukleotid lánc növekedése csak az egyik végén történik: ott, ahol a szabad hidroxil a 3" pozícióban található. A lánc elején mindig van egy foszfátcsoport az 5" pozícióban. Ez lehetővé teszi az 5" és a 3" közötti megkülönböztetést. véget ér.

A nukleinsavak közül kétféle vegyületet különböztetnek meg: dezoxiribonukleinsav(DNS) És ribonukleinsav(RNS)savak. Az örökletes anyag fő hordozóinak - a kromoszómáknak - összetételének vizsgálata során kiderült, hogy kémiailag legstabilabb komponensük a DNS, amely az öröklődés és a változékonyság szubsztrátja.

DNS szerkezet. J. Watson et al. Sikoly

A DNS nukleotidokból áll, amelyek magukban foglalják a cukrot - dezoxiribózt, foszfátot és az egyik nitrogénbázist - purint (adenint vagy guanint) vagy pirimidint (timin vagy citozin).

A DNS szerkezeti felépítésének sajátossága, hogy molekulái két polinukleotid láncot tartalmaznak, amelyek bizonyos módon kapcsolódnak egymáshoz. A DNS háromdimenziós modelljének megfelelően, amelyet J. Watson amerikai biofizikus és F. Crick angol biofizikus és genetikus 1953-ban javasoltak, ezek a láncok nitrogénbázisaik között hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a következő elve szerint: komplementaritás. Az egyik lánc adeninje két hidrogénkötéssel kapcsolódik egy másik lánc timinjéhez, és három hidrogénkötés jön létre a különböző láncú guanin és citozin között. A nitrogéntartalmú bázisok ilyen kapcsolata biztosítja a két lánc közötti erős kapcsolatot, és mindvégig egyenlő távolságot tart fenn közöttük.

Rizs. 3.4. A DNS-molekula szerkezetének diagramja. A nyilak az áramkörök antiparallelizmusát jelzik

A két polinukleotid lánc DNS-molekulában való kombinációjának másik fontos jellemzője az antiparallelizmus: az egyik lánc 5"-os vége kapcsolódik a másik 3"-os végéhez, és fordítva (3.4. ábra).

A röntgendiffrakciós adatok azt mutatták, hogy egy két láncból álló DNS-molekula a saját tengelye körül csavarodott hélixet alkot. A hélix átmérője 2 nm, a menethossz 3,4 nm. Minden kör 10 pár nukleotidot tartalmaz.

Leggyakrabban a kettős spirálok jobbkezesek - a spirál tengelye mentén felfelé haladva a láncok jobbra fordulnak. Az oldatban lévő DNS-molekulák többsége jobbkezes - B-formában (B-DNS) van. Előfordul azonban balkezes formák (Z-DNS) is. Hogy ebből a DNS-ből mennyi van jelen a sejtekben, és mi a biológiai jelentősége, azt még nem állapították meg (3.5. ábra).

Rizs. 3.5. Balkezes Z alakú térbeli modellek ( én)

és jobbkezes B-forma ( II) DNS

Így a DNS-molekula szerkezeti felépítésében megkülönböztethetünk elsődleges szerkezete - polinukleotid lánc, másodlagos szerkezet- két komplementer és antiparallel polinukleotid lánc, amelyeket hidrogénkötések kapcsolnak össze, és harmadlagos szerkezet - háromdimenziós spirál a fenti térbeli jellemzőkkel.

Az öröklődési anyag egyik fő tulajdonsága az önmásoló képessége - replikáció. Ezt a tulajdonságot a két komplementer láncból álló DNS-molekula kémiai szerveződésének sajátosságai biztosítják. A replikációs folyamat során a kiindulási DNS-molekula minden polinukleotid láncán egy komplementer lánc szintetizálódik. Ennek eredményeként egy DNS kettős hélixből két egyforma kettős hélix jön létre. A molekulák megkettőzésének ezt a módszerét, amelyben minden leánymolekula egy szülőt és egy újonnan szintetizált láncot tartalmaz, az ún. félig konzervatív(lásd 2.12. ábra).

A replikációhoz az anyai DNS láncait el kell választani egymástól, hogy templátokká váljanak, amelyeken a leánymolekulák komplementer láncai szintetizálódnak.

A replikáció megindítása a DNS speciális régióiban, az úgynevezett ori (angol eredetű - kezdet). Tartalmaznak egy 300 nukleotidpárból álló szekvenciát, amelyet specifikus fehérjék ismernek fel. Ezekben a lókuszokban a DNS kettős hélix két láncra oszlik, és általában a polinukleotid láncok eltérési területei képződnek a replikációs origó mindkét oldalán - replikációs villák, amelyek a lokusztól ellentétes irányban mozognak ori irányokat. A replikációs villák között egy struktúra ún replikációs szem, ahol új polinukleotid láncok képződnek az anyai DNS két szálán (3.8. ábra, A).

A replikációs folyamat végeredménye két DNS-molekula keletkezése, amelyek nukleotidszekvenciája megegyezik az anya-DNS kettős hélixével.

A DNS-replikáció prokariótákban és eukariótákban alapvetően hasonló, azonban az eukariótákban a szintézis sebessége (kb. 100 nukleotid/s) egy nagyságrenddel alacsonyabb, mint a prokariótákban (1000 nukleotid/s). Ennek oka lehet az eukarióta DNS képződése a fehérjékkel meglehetősen erős vegyületekben (lásd 3.5.2. fejezet), ami megnehezíti a replikatív szintézishez szükséges despiralizációt.

A GENETIKAI ANYAG SZERKEZETI ÉS FUNKCIÓS SZERVEZÉSE

4.2. A DNS, mint az öröklődés és változékonyság szubsztanciája tulajdonságai

4.2.3 Változások a DNS-nukleotid szekvenciákban.

4.2.4 A genetikai anyag variabilitásának elemi egységei. Mouton. Recon

4.2.6 A génmutációk káros hatását csökkentő mechanizmusok

4.3 A genetikai információ felhasználása az életfolyamatokban

4.3.2 A genetikai információ szerveződésének és kifejeződésének jellemzői pro- és eukariótákban

1. Az öröklődés és a változékonyság az élőlények alapvető tulajdonságai

Az életet, mint különleges jelenséget az időbeni létezés időtartama jellemzi (több mint 3,5 milliárd éve keletkezett a Földön), amelyet élő rendszerek generációinak folytonossága biztosít. A szervezetben sejtgenerációk váltása, populációkban élő organizmusok generációinak változása, a biocenózis rendszerében fajváltás, a bioszférát alkotó biocenózisok változása történik. Az élet időbeni folyamatos léte az élő rendszerek azon képességén alapul, hogy képesek legyenek újratermelni magukat. Az élet megőrzése változó körülmények között az élőformák evolúciójának köszönhetően lehetséges, melynek során olyan változások alakulnak ki, amelyek biztosítják az új környezethez való alkalmazkodást. A lét folytonosságát és az élő természet történeti fejlődését az élet két alapvető tulajdonsága határozza meg: az öröklődés és a változékonyság.

Az oktatási kurzusokon az öröklődés és a változékonyság tulajdonságait hagyományosan a sejt és a szervezet viszonylatában veszik figyelembe. Valójában szupraorganizmus szinten is megnyilvánulnak. Az élőlények szerveződésének sejtes és szervezeti (ontogenetikai) szintjén az öröklődés alatt a sejtek vagy organizmusok azon tulajdonságát értjük, hogy az önszaporodás folyamatában átadják egy új nemzedéknek egy bizonyos típusú anyagcsere képességét és képességét. egyedfejlődés, melynek során egy adott sejttípus és szervezettípus közös jellemzőit, tulajdonságait, valamint a szülők egyes egyéni jellemzőit alakítják ki. Az élet szerveződésének populáció-faji szintjén az öröklődés abban nyilvánul meg, hogy egy adott populáció (faj) élőlényeinek számos generációjában a különböző genetikai formák állandó arányát fenntartják. Biocenotikus szinten a biocenózis hosszú távú fennállását a biocenózist alkotó élőlényfajok bizonyos arányainak megőrzése biztosítja.

A földi élet létrejötte és fejlődése során az öröklődés meghatározó szerepet játszott, mivel számos generációban megszilárdította a biológiailag hasznos evolúciós elsajátításokat, bizonyos konzervativizmust biztosítva az élő rendszerek szerveződésében. Az öröklődés az evolúció egyik fő tényezője.

Az élő természet folyamatos fennmaradása a változó feltételek mellett lehetetlen lenne, ha az élő rendszerek nem lennének képesek bizonyos, új környezeti feltételek mellett hasznos változásokat megszerezni és fenntartani. Az élő rendszerek azon tulajdonságát, hogy változásokat szereznek és különböző változatokban léteznek, változékonyságnak nevezzük.

Az azonos fajhoz tartozó egyes sejtekben és élőlényekben az egyedfejlődésüket befolyásoló változékonyság a köztük lévő különbségek kialakulásában nyilvánul meg. Ez a tulajdonság az életszervezés populáció-faj szintjén egy faj egyes populációi közötti genetikai különbségek jelenlétében nyilvánul meg, ami új fajok kialakulásának hátterében áll. Az új fajok megjelenése változásokat vezet be a fajok közötti kapcsolatokban a biocenózisokban. A változékonyság bizonyos értelemben az élő rendszerek dinamikus szerveződését tükrözi, és az öröklődés mellett az evolúció egyik vezető tényezője. Annak ellenére, hogy az öröklődés és a változékonyság többirányú eredményt ad, az élő természetben ez a két alapvető tulajdonság megbonthatatlan egységet alkot, amely egyszerre éri el a meglévő biológiailag megfelelő tulajdonságok megőrzését az evolúció folyamatában és újak megjelenését, lehetővé téve az újak megjelenését. hogy az élet változatos körülmények között létezzen.

2. Az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátumának szerveződéséről alkotott elképzelések kialakulása

Az öröklődést és a változékonyságot, mint minden élő rendszer legfontosabb tulajdonságát, egy speciális anyagi hordozó működése biztosítja. A biológia tudomány történeti fejlődése során a tulajdonságairól, szerveződéséről, kémiai természetéről alkotott elképzelések folyamatosan bővülnek, összetettebbé válnak.

A 60-as években XIX század a genetika (az öröklődés és változékonyság tudományának) megalapítója, G. Mendel (1865) fogalmazta meg az első feltételezéseket az örökítőanyag szerveződéséről. Borsón végzett kísérleteinek eredményei alapján arra a következtetésre jutott, hogy az örökítőanyag diszkrét, i.e. az élőlények bizonyos jellemzőinek kialakulásáért felelős egyéni örökletes hajlamok képviselik. Mendel szerint az ivarosan szaporodó élőlények örökítőanyagában egy külön tulajdonság kialakulását egy pár allélhajlam biztosítja, amely mindkét szülő ivarsejtjével érkezett. Az ivarsejtek kialakulásakor az allél hajlampárból csak egy kerül mindegyikbe, így az ivarsejtek mindig „tiszták”. 1909-ben V. Johansen Mendel "örökletes hajlamait" géneknek nevezte.

80-as évek XIX század a citológia területén jelentős eredményeket értek el: leírták a mitózist és a meiózist - a szomatikus, illetve a csírasejtek osztódását, amelynek során a magstruktúrák - kromoszómák - természetesen eloszlanak a leánysejtek között (W. Woldeyer, 1888).

A sejtosztódás során a kromoszómák eloszlásának természetére vonatkozó adatok a 20. század elején lehetővé tették. Boveri (1902-1907) és U. Setgon (1902-1903) arra a következtetésre jutott, hogy a sejtek és organizmusok számos generációjában a tulajdonságok folytonosságát kromoszómáik folytonossága határozza meg. A kromoszómákat kezdték az örökletes program anyagi hordozóinak tekinteni.

Az örökletes hajlamokról és kromoszómákról alkotott elképzeléseket egyesítő kromoszómális öröklődéselmélet továbbfejlesztése a 20. század elején történt meg. T. Morgan és munkatársai. A Drosophilán végzett kísérletek során beigazolódott a kromoszómák öröklődést biztosító szerepére vonatkozó, korábban megfogalmazott feltételezés. Megállapították, hogy a gének a kromoszómákon helyezkednek el, lineáris sorrendben. Az egyes kromoszómák génjei egy kapcsolódási csoportot alkotnak, amelyek számát a csírasejtekben lévő kromoszómák száma határozza meg. Az azonos kapcsolódási csoportba tartozó gének általában együtt öröklődnek. Számos esetben azonban rekombinációjuk keresztezés miatt következik be, amelynek gyakorisága a gének távolságától függ.

Így a kromoszómaelmélet tükrözi a genetika egyik legfontosabb alapelvét - az örökítőanyag diszkrétségének és folytonosságának egységét.

Megjegyzendő, hogy a 20. század elején is. Olyan tényeket fedeztek fel, amelyek igazolták a sejtekben a kromoszómán kívüli örökítőanyag jelenlétét, amely különböző citoplazmatikus struktúrákban található, és meghatározza a speciális citoplazmatikus öröklődést (K. Correns, 1908).

Körülbelül ugyanebben az időben X. de Vries (1901) lefektette az örökletes hajlamok vagy kromoszómák hirtelen változásaihoz kapcsolódó mutációs variabilitás tanának alapjait, ami a szervezet bizonyos jellemzőinek megváltozásához vezet. A következő években felfedezték a röntgensugárzás, a sugárzás, bizonyos vegyi anyagok és biológiai ágensek mutagén hatását a kromoszómákra és a génekre.

A vizsgálatok eredményeként nyilvánvalóvá vált, hogy az öröklődés és a változékonyság ugyanazon anyagi szubsztrát működésének köszönhető.

A 20. század első évtizedeiben. Olyan adatokat kaptunk, amelyek a tulajdonságok állapotának a gének kölcsönhatásának természetétől való függőségét mutatják, ami túlmutat a Mendel által leírt dominancia és recesszivitás összefüggéseinek keretein. Innen jött a genetikai apparátus, mint kölcsönható gének rendszerének ötlete - egy genotípus, amely egy kromoszómakészletben koncentrálódik - egy kariotípus.

A kromoszómák kémiai összetételének vizsgálata két fő típusú vegyületet tárt fel, amelyek ezeket a struktúrákat alkotják - fehérjéket és nukleinsavakat. A 20. század első felében. a kutatók az öröklődés és a változékonyság szubsztrátjának kémiai természetének kérdésével foglalkoztak. Kezdetben a fehérjék mellett tettek javaslatokat. 1928-ban F. Griffith pneumococcusokon végzett kísérletet, amelyben az egyik baktériumtörzs egyes örökletes tulajdonságainak változását (transzformációját) figyelték meg egy másik törzs elölt sejtjéből nyert anyag hatására. A baktériumok örökletes tulajdonságait átalakító anyag kémiai természetét csak 1944-ben állapította meg O. Avery, aki bebizonyította, hogy a nukleinsavakhoz (DNS) tartozik.

További bizonyítékok a DNS részvételére az öröklődés és variabilitás biztosításában:

1) a DNS-tartalom állandósága a test minden típusú szomatikus sejtjében;

2) a DNS-tartalom megfelelése a sejtek ploidiájának (szomatikus sejtekben kétszer annyi, mint a szaporítósejtekben; poliploid sejtekben a kromoszómakészletek számának felel meg);

3) a genetikai rekombináció jelensége baktériumokban konjugációjuk során, amelynek során a DNS egy része egyik sejtből a másikba hatol, és megváltoztatja az utóbbi tulajdonságait;

4) a baktériumsejtek örökletes tulajdonságainak megváltoztatása a DNS egyik törzsről a másikra történő átvitelével DNS-fág segítségével - a transzdukció jelensége;

5) izolált vírusnukleinsav fertőző aktivitása.

A nukleinsavak célzott vizsgálatának fontos eredménye volt, hogy J. Watson és F. Crick (1953) megalkotta a DNS-molekula térbeli modelljét.

A 20. század második felében. A tudósok erőfeszítései arra irányulnak, hogy tanulmányozzák a nukleinsavak tulajdonságait, amelyek genetikai funkcióik alapját képezik, az örökletes információk rögzítésének és olvasásának módszereit, a genetikai kód természetét és szerkezetét, a génaktivitás szabályozásának mechanizmusait az egyéni tulajdonságok kialakításának folyamatában. és a fenotípus egésze. A 60-as években M. Nirenberg, S. Ochoa, X. Korana és mások munkái teljesen megfejtették a genetikai kódot, és megállapították a nukleinsavmolekulában lévő nukleotidhármasok és bizonyos aminosavak megfelelőségét. A 70-es években A géntechnológiai módszereket aktívan fejleszteni kezdték, lehetővé téve az élő szervezetek örökletes tulajdonságainak célzott megváltoztatását.

A 20. század végére az új molekuláris genetikai technológiáknak köszönhetően lehetővé vált a különböző élőlények genomjainak DNS-molekuláiban a nukleotid szekvenciák meghatározása (DNS szövegek olvasása). Az összesen 3 milliárd bázispár által képviselt emberi genom DNS-szövegeit 2001-ig többnyire elolvasták. A molekuláris biológia tudományos és gyakorlati irányát, amely a DNS-molekulák nukleotidszekvenciájának meghatározására irányul, genomikának nevezzük.

3. A genetikai anyag általános tulajdonságai és a genetikai apparátus szerveződési szintjei

Az öröklődés és változékonyság fenti definíciói alapján feltételezhetjük, hogy e két élettulajdonság anyagi szubsztrátjának milyen követelményeknek kell megfelelnie.

4. A genetikai apparátus szerveződésének génszintje

A genetikai apparátus elemi funkcionális egysége, amely meghatározza egy adott faj egy sejtjének vagy szervezetének egy külön sajátossága kialakulásának lehetőségét, egy gén (G. Mendel szerint örökletes lerakódás). A gének sejtek vagy organizmusok nemzedékei során történő átvitelével anyagi folytonosság érhető el – a szüleik jellemzőinek utódok általi öröklése.

A jel alatt az organizmusok (sejtek) morfológiai, fiziológiai, biokémiai, immunológiai, klinikai és bármilyen más diszkrét egységét értjük, pl. külön minőség vagy tulajdonság, amiben különböznek egymástól.

Az organizmusok vagy sejtek fent felsorolt jellemzőinek többsége a komplex tulajdonságok kategóriájába tartozik, amelyek kialakításához számos anyag, elsősorban specifikus tulajdonságokkal rendelkező fehérjék - enzimek, immunproteinek, szerkezeti, kontraktilis, transzport és egyéb fehérjék - szintézisére van szükség. A fehérjemolekula tulajdonságait a polipeptidláncának aminosav-szekvenciája határozza meg, amelyet közvetlenül a megfelelő gén DNS-ében lévő nukleotidok szekvenciája határoz meg, és ez egy elemi vagy egyszerű jellemző.

A gén, mint a genetikai apparátus funkcionális egysége alapvető tulajdonságait kémiai szerveződése határozza meg,

4.1 A gén kémiai szerveződése

Az örökítőanyag kémiai természetének tisztázására irányuló kutatások cáfolhatatlanul bebizonyították, hogy az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja a nukleinsav, amelyet F. Miescher (1868) fedezett fel a gennysejtek magjában. A nukleinsavak makromolekulák, azaz. nagy molekulatömegűek. Ezek monomerekből - nukleotidokból álló polimerek, amelyek három komponenst tartalmaznak: cukor (pentóz), foszfát és nitrogénbázis (purin vagy pirimidin). Egy nitrogéntartalmú bázis (adenin, guanin, citozin, timin vagy uracil) kapcsolódik a C-1 pentózmolekula első szénatomjához, és egy foszfát kapcsolódik az ötödik szénatomhoz C-5 észterkötés segítségével; a harmadik szénatom C-3" mindig tartalmaz egy hidroxilcsoportot - OH (1. ábra).

A nukleotidok nukleinsavmakromolekulává való összekapcsolódása az egyik nukleotid foszfátjának a másik hidroxilcsoportjával való kölcsönhatása révén megy végbe, így foszfodiészter kötés jön létre közöttük (2. ábra). Ennek eredményeként polinukleotid lánc képződik. A lánc gerincét váltakozó foszfát- és cukormolekulák alkotják. A fent felsorolt nitrogénbázisok egyike a C-1 pozícióban kapcsolódik a pentózmolekulákhoz (3. ábra).

1. ábra. Nukleotid szerkezeti diagram

Lásd a szöveget a magyarázatért; az ábrán használt nukleotid komponens megnevezések az összes további nukleinsav diagramon megmaradnak

A polinukleotid lánc összeállítása a polimeráz enzim részvételével történik, amely biztosítja a következő nukleotid foszfátcsoportjának kapcsolódását az előző nukleotid 3" pozíciójában lévő hidroxilcsoporthoz (3.3. ábra). a nevezett enzim hatásának specifikussága mellett a polinukleotid lánc növekedése csak az egyik végén történik: ott, ahol a szabad hidroxil a 3" pozícióban található. A lánc elején mindig van egy foszfátcsoport az 5" pozícióban, így megkülönböztethetjük az 5" és a 3" végeket.

4.1.1 DNS szerkezet. J. Watson és F. Crick modell

A DNS nukleotidokból áll, amelyek magukban foglalják a cukrot - dezoxiribózt, foszfátot és az egyik nitrogénbázist - purint (adenint vagy guanint) vagy pirimidint (timin vagy citozin). A DNS szerkezeti felépítésének sajátossága, hogy molekulái két polinukleotid láncot tartalmaznak, amelyek bizonyos módon kapcsolódnak egymáshoz. A DNS háromdimenziós modelljének megfelelően, amelyet J. Watson amerikai biofizikus és F. Crick angol biofizikus és genetikus 1953-ban javasoltak, ezek a láncok nitrogénbázisaik között hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a következő elve szerint: komplementaritás. Az egyik lánc adeninje két hidrogénkötéssel kapcsolódik egy másik lánc timinjéhez, és három hidrogénkötés jön létre a különböző láncú guanin és citozin között. A nitrogéntartalmú bázisok ilyen kapcsolata biztosítja a két lánc közötti erős kapcsolatot, és mindvégig egyenlő távolságot tart fenn közöttük.

4. ábra. A DNS-molekula szerkezetének diagramja. A nyilak jelzik a célpontok párhuzamosságát.

5. ábra. A DNS balkezes Z-formájának (I) és jobbkezes B-formájának (II) térbeli modelljei

Így a DNS-molekula szerkezeti felépítésében megkülönböztethető egy elsődleges szerkezet - egy polinukleotid lánc, egy másodlagos szerkezet - két komplementer és antiparallel polinukleotid lánc, amelyeket hidrogénkötések kötnek össze, és egy tercier szerkezet - egy háromdimenziós hélix a fentiekkel. térbeli jellemzők.

4.1.2 A genetikai információ rögzítésének módja egy DNS-molekulában. Biológiai kód és tulajdonságai

Az élet sokféleségét elsősorban a sejtekben különféle biológiai funkciókat ellátó fehérjemolekulák sokfélesége határozza meg. A fehérjék szerkezetét a peptidláncukban lévő aminosavak halmaza és sorrendje határozza meg. A peptidekben található aminosav-szekvenciát a DNS-molekulák biológiai (genetikai) kóddal kódolják. A DNS szerkezetének relatív primitívsége, amely mindössze négy különböző nukleotid váltakozását jelenti, régóta megakadályozza a kutatókat abban, hogy ezt a vegyületet az öröklődés és a változékonyság anyagi szubsztrátjának tekintsék, amelyben rendkívül sokrétű információt kell titkosítani.

1954-ben G. Gamow azt javasolta, hogy az információ kódolását a DNS-molekulákban több nukleotid kombinációjával kell végrehajtani. A természetben létező különféle fehérjékben körülbelül 20 különböző aminosavat fedeztek fel. Ilyen számú titkosításhoz elegendő számú nukleotid-kombinációt csak egy triplett kód biztosíthat, amelyben minden aminosav három szomszédos nukleotiddal van titkosítva. Ebben az esetben négy nukleotidból 4 3 = 64 triplett jön létre. Egy két nukleotidból álló kód csak 4 2 = 16 különböző aminosav titkosítását tenné lehetővé.

A genetikai kód teljes megfejtését a 60-as években végezték el. századunkból. A 64 lehetséges DNS-hármasból 61 különböző aminosavakat kódol; a maradék 3-at értelmetlennek, vagy „nonszensz hármasnak” nevezték. Nem titkosítják az aminosavakat, és írásjelként működnek örökletes információk olvasásakor. Ezek közé tartozik az ATT, ACT, ATC.

Figyelemre méltó a kód nyilvánvaló redundanciája, amely abban nyilvánul meg, hogy sok aminosavat több hármas kódol (6. ábra). A triplet kódnak ez a degenerációnak nevezett tulajdonsága nagyon fontos, mivel a DNS-molekula szerkezetében bekövetkező változások, mint például egy nukleotid cseréje a polinukleotid láncban, nem feltétlenül változtatja meg a triplet jelentését. Az így létrejött három nukleotid új kombinációja ugyanazt az aminosavat kódolja.

A genetikai kód tulajdonságainak tanulmányozása során felfedezték annak specifikusságát. Minden hármas csak egy specifikus aminosavat képes kódolni. Érdekes tény a kód teljes megfelelése a különböző típusú élő szervezetekben. A genetikai kód ilyen univerzalitása a biológiai evolúció folyamatában a Föld élőformáinak teljes sokféleségének eredetének egységét jelzi. Egyes fajok mitokondriális DNS-ében kisebb eltéréseket találtak a genetikai kódban. Ez általában nem mond ellent annak a tételnek, hogy a kód univerzális, de az élet létezésének korai szakaszában bizonyos eltérésekről tanúskodik. A különböző fajok mitokondriumainak DNS-ében található kód megfejtése azt mutatta, hogy a mitokondriális DNS-nek minden esetben van egy közös vonása: az ACC hármast ACC-ként olvassuk, és ezért nonszensz triplettből a triptofán aminosav kódjává válik.

6. ábra. Aminosavak és az azokat kódoló DNS-hármasok

Más jellemzők a különböző típusú szervezetekre jellemzőek. Az élesztőben a GAT triplett és esetleg az egész GA család a treonint kódolja a leucin aminosav helyett. Emlősökben a TAG hármas jelentése ugyanaz, mint a TAC, és izoleucin helyett metionint kódol. Egyes fajok mitokondriális DNS-ében található TCG és TCC triplettek nem kódolnak aminosavakat, mivel nonszensz triplettek. A hármasság, degeneráltság, specificitás és univerzalitás mellett a genetikai kód legfontosabb jellemzői a folytonosság és az átfedés nélküli kodonok az olvasás során. Ez azt jelenti, hogy a nukleotidszekvenciát hármasonként, hézagok nélkül olvassuk be, és a szomszédos tripletek nem fedik át egymást, azaz. minden egyes nukleotid csak egy triplett része egy adott leolvasási kerethez (3.7. ábra). A nem átfedő genetikai kód bizonyítéka, hogy a DNS-ben egy nukleotid cseréjekor csak egy aminosav cserélődik ki a peptidben. Ha egy nukleotid több egymást átfedő hármasban is szerepel, akkor a helyettesítése a peptidláncban 2-3 aminosav helyettesítését vonná maga után.

7. ábra. A genetikai kód folytonossága és vitathatatlansága az örökletes információk olvasásakor.

A számok a nukleotidokat jelzik

4.2 A DNS mint öröklődési anyag tulajdonságai és változékonyság

4.2.1. Az örökítőanyag önreprodukciója. DNS replikáció

Az öröklődési anyag egyik fő tulajdonsága az önmásoló - replikációs képesség. Ezt a tulajdonságot a két komplementer láncból álló DNS-molekula kémiai szerveződésének sajátosságai biztosítják. A replikációs folyamat során a kiindulási DNS-molekula minden polinukleotid láncán egy komplementer lánc szintetizálódik. Ennek eredményeként egy DNS kettős hélixből két egyforma kettős hélix jön létre. A molekulák megkettőzésének ezt a módszerét, amelyben minden leánymolekula egy szülőt és egy újonnan szintetizált láncot tartalmaz, félig konzervatívnak nevezik.

A replikációhoz az anyai DNS láncait el kell választani egymástól, hogy templátokká váljanak, amelyeken a leánymolekulák komplementer láncai szintetizálódnak.

A replikáció megindítása a DNS speciális szakaszaiban történik, amelyeket ori-nak neveznek (az angol eredetű - kezdet). Tartalmaznak egy 300 nukleotidpárból álló szekvenciát, amelyet specifikus fehérjék ismernek fel. Ezekben a lókuszokban a DNS kettős hélix két láncra oszlik, és általában a replikációs origó mindkét oldalán polinukleotid láncok divergenciájának területei képződnek - replikációs villák, amelyek az ori lókusszal ellentétes irányba mozognak. A replikációs villák között egy replikációs szemnek nevezett szerkezet alakul ki, ahol az anyai DNS két szálán új polinukleotid láncok képződnek (8. ábra, A).

A hidrogénkötéseket megszakító helikáz enzim segítségével a DNS kettős hélix a replikációs origónál letekerődik. Az így létrejövő egyedi DNS-szálakat speciális destabilizáló fehérjék kötik meg, amelyek megfeszítik a láncok gerincét, így azok nitrogéntartalmú bázisai elérhetővé teszik a nukleoplazmában található komplementer nukleotidokhoz való kötődést. A replikációs villa régiójában kialakult láncok mindegyikén a DNS-polimeráz enzim részvételével komplementer láncok szintézise zajlik (8. ábra, B).

8. ábra. Replikációs kezdőterület. Replikációs villa

A. Replikációs szem kialakulása.

B. A replikációs villa régiója egy DNS-molekulában

A szintézis folyamata során a replikációs villák az anyaspirál mentén ellentétes irányban mozognak, és egyre több új zónát rögzítenek.

A szülői DNS spirális szálainak a helikáz enzim általi elválasztása szupertekercsek megjelenését okozza a replikációs villa előtt. Ez azzal magyarázható, hogy minden 10 szétváló, a hélix egy fordulatát képező nukleotidpár után a szülő DNS-nek egy teljes fordulatot kell tennie a tengelye körül. Következésképpen a replikációs villa előremozdításához az előtte lévő teljes DNS-molekulának gyorsan kell forognia, ami sok energiát igényelne. Ez valójában nem figyelhető meg a fehérjék egy speciális osztályának, az úgynevezett DNS-topoizomerázoknak köszönhetően. A topoizomeráz megszakítja az egyik DNS-szálat, ami lehetővé teszi, hogy a második szál körül forogjon. Ez felszabadítja a DNS kettős hélixben felgyülemlett feszültséget (9. ábra).

A nukleoplazmából származó szabad nukleotidok, ahol dezoxiribonukleozid-grifoszfátok formájában vannak jelen: dATP, dGTP, dCTP, dTTP, az elválasztott szülőláncok nukleotidszekvenciáinak felszabaduló hidrogénkötéseihez kapcsolódnak. A komplementer nukleozid-trifoszfát hidrogénkötéseket hoz létre a kiindulási DNS-szál specifikus bázisával. Ezután a DNS polimeráz enzim közreműködésével foszfodiészter kötéssel kötődik az újonnan szintetizált lánc megelőző nukleotidjához, szervetlen pirofoszfátot szabadítva fel (10. ábra).

Ahogy a DNS-polimeráz hozzáadja a következő nukleotidot az OH-csoporthoz az előző nukleotid 3"-os pozíciójában, a lánc fokozatosan meghosszabbodik a 3"-os végén.

A DNS-polimeráz sajátossága, hogy nem képes elindítani egy új polinukleotid lánc szintézisét két nukleozid-trifoszfát egyszerű összekapcsolásával: bármely polinukleotid lánc 3"-OH végére, amely a templát DNS-szálhoz párosul, szükséges, amelyhez a DNS-polimeráz csak hozzáadni tud. új nukleotidok.. Ilyen polinukleotid Az α-leotid láncot magnak vagy primernek nevezzük.

A replikáció során a DNS polinukleotid láncainak szintézisében a primer szerepét az RNS-primáz enzim részvételével kialakított rövid RNS-szekvenciák látják el (11. ábra). A DNS-polimeráznak ez a tulajdonsága azt jelenti, hogy csak a párosított primert hordozó DNS-szál, amelynek szabad 3'-OH vége van, szolgálhat templátként a replikációhoz.

9. ábra. Az egyik DNS-szál megszakítása a DNS-topoizomeráz enzim segítségével: I - DNS-topoizomeráz kovalens kötést képez a DNS egyik foszfátcsoportjával (felső szál); II - az egyik polinukleotid láncban a foszfodiészter kötés szakadása következtében a másik láncban a megfelelő kötés körül forgás történik, ami enyhíti a replikációs villa régiójában a két DNS-szál divergenciája okozta feszültséget; III - a DNS-hélix feszültségének megszüntetése után a DNS topoizomeráz spontán szétválása és a foszfodiészter kötés helyreállítása következik be a DNS-láncban

A DNS-polimeráz azon képessége, hogy az 5"-től a 3"-ig terjedő irányban polinukleotidot állítson össze két DNS-szál antiparallel összekapcsolásával, azt jelenti, hogy a replikációs folyamatnak eltérően kell lezajlania rajtuk. Valóban, ha az egyik mátrixon (3" → 5") az 5"-től a 3"-ig folyamatosan történik egy új lánc összeállítása és a 3"-os végén fokozatosan megnyúlik, akkor a másik lánc a mátrixon szintetizálódik. (5" → 3"), a 3"-tól az 5"-ig kell növekednie. Ez ellentmond a DNS-polimeráz enzim működési irányának.

10. ábra. A következő nukleotid rögzítése a DNS polimeráz részvételével szintetizált DNS leányszálához: PP-pirofoszfát

Mostanra megállapítást nyert, hogy a DNS második szálának szintézise rövid fragmentumokban (Okazaki-fragmensek) történik, az 5"-től a 3"-ig terjedő irányban is (mint a "tűvel való visszavarrás"). A prokariótákban az Okazaki-fragmensek 1000-2000 nukleotidot tartalmaznak, az eukariótákban sokkal rövidebbek (100-200 nukleotid). Mindegyik ilyen fragmens szintézisét egy körülbelül 10 nukleotid hosszúságú RNS primer képződése előzi meg. Az újonnan képződött fragmens a DNS-ligáz enzim segítségével az RNS primer eltávolítása után egyesül az előző fragmenssel (12. ábra, A).

Ezen jellemzők miatt a replikációs villa aszimmetrikus. A két szintetizált leánylánc közül az egyik folyamatosan épül, szintézise gyorsabban halad, és ezt a láncot nevezzük vezető láncnak. A másik szál szintézise lassabb, mivel egyedi fragmensekből áll össze, amelyekhez egy RNS primer képzése, majd eltávolítása szükséges. Ezért egy ilyen láncot lemaradásnak (lagging) neveznek. Bár az egyes töredékek 5" → 3" irányban képződnek, összességében ez a lánc 3" → 5" irányban nő (3.12. ábra, A). Tekintettel arra, hogy két replikációs villa általában az ori lókuszból indul, ellentétes irányba haladva, a bennük lévő vezető szálak szintézise az anyai DNS különböző szálain történik (12. ábra, B). A replikációs folyamat végeredménye két DNS-molekula keletkezése, amelyek nukleotidszekvenciája megegyezik az anya-DNS kettős hélixével.

11. ábra. Az RNS-primáz által katalizált rövid RNS primer szintézis reakciójának vázlata

A replikációs szintézis során fellépő eseménysor egy teljes enzimrendszer részvételét foglalja magában: helikáz, topoizomeráz, destabilizáló fehérjék, DNS-polimeráz és mások, amelyek együtt hatnak a replikációs villa régiójában (13. ábra).

A DNS-replikáció prokariótákban és eukariótákban alapvetően hasonló, azonban az eukariótákban a szintézis sebessége (kb. 100 nukleotid/s) egy nagyságrenddel alacsonyabb, mint a prokariótákban (1000 nukleotid/s). Ennek oka az eukarióta DNS képződése lehet meglehetősen erős fehérjékkel alkotott vegyületekben, ami megnehezíti a replikatív szintézishez szükséges despiralizációt.

A replikáció kezdőpontjától a végpontjáig terjedő DNS-fragmens egy replikációs egységet - replikont - alkot. A replikáció az origónál (az on lókusznál) elindulva addig folytatódik, amíg a teljes replikon megkettőződik. A prokarióta sejtek cirkuláris DNS-molekuláinak egyetlen lókusza van, és teljesen különálló replikonok. Az eukarióta kromoszómák nagyszámú replikont tartalmaznak. Ebben a tekintetben az eukarióta kromoszóma mentén elhelyezkedő DNS-molekula megkettőződése több ponton megkezdődik. A különböző replikonokban a duplikáció különböző időpontokban vagy egyidejűleg történhet.

Rizs. 12. Két leány DNS-szál szintézise a szülőmolekula különböző szálain

A. A DNS-szálak antiparallelitása miatt a leányszálak szintézise eltérően megy végbe, a felső anyaszálon a leánycél folyamatos vezető szálként szintetizálódik, az alsó anyaszálon a leányszál Okazaki-fragmensekből áll össze - az elmaradt szál.

B. A vezető szálak szintézise többirányú villákban az anyai DNS különböző szálain megy végbe

4.2.2 A DNS nukleotid szekvencia megőrzésének mechanizmusai. Kémiai stabilitás. Replikáció. Javítás

Ahhoz, hogy egy sejt vagy szervezet főbb jellemzőit élete során, valamint több generáción keresztül megőrizze, az örökítőanyagnak ellenállónak kell lennie a külső hatásokkal szemben, vagy léteznie kell a benne fellépő változásokat korrigáló mechanizmusoknak. Az élő természetben mindkét tényezőt alkalmazzák. A harmadik tényező az anyai DNS nukleotidszekvenciáinak replikációja során történő másolásának pontossága.

13. ábra. A DNS-replikáció folyamatában részt vevő fehérjék

A DNS-helikáz kicsavarja a DNS kettős hélixet, elválasztva annak polinukleotid láncait; a destabilizáló fehérjék kiegyenesítik a DNS-lánc egy részét; A DNS topoizomeráz megszakítja a foszfodiészter kötést a DNS egyik polikarbonát láncában, enyhítve a spirál letekeredése és a láncok szétválása okozta feszültséget a replikációs villában; Az RNS-primáz RNS primereket szintetizál a leányszálhoz és minden Okazaki-fragmenshez; A DNS-polimeráz a vezető szál folyamatos szintézisét és a lemaradó szál Okazaki-fragmenseinek szintézisét végzi; A DNS-ligáz az RNS primer eltávolítása után összefűzi az Okazaki-fragmenseket

Reaktivitás szempontjából a DNS-molekulák a kémiailag inert anyagok kategóriájába tartoznak. Ismeretes, hogy nem csak a DNS, hanem az RNS is (egyes vírusok) is betöltheti az öröklődési anyag szerepét. Úgy gondolják, hogy a DNS melletti választás az RNS-hez képest alacsonyabb reakcióképességének köszönhető.

A fent tárgyalt replikációs mechanizmust rendkívül nagy pontosság jellemzi a DNS-struktúra reprodukálásában. Ha a DNS-t megkétszerezzük, a hibák átlagosan 1·10-6 komplementer bázispárral fordulnak elő.

A nagy replikációs pontosság fenntartásában elsősorban a DNS-polimeráz enzimnek van fontos szerepe. Ez az enzim kiválasztja a szükséges nukleotidokat a nukleozid-trifoszfátok (ATP, TTP, GTP, CTP) közül, amelyek a nukleáris nedvben jelen vannak, pontosan hozzákapcsolja azokat a templát DNS-szálhoz, és beépíti a növekvő leányszálba. A hibás nukleotidok felvételének gyakorisága ebben a szakaszban 1·10 -5 bázispár.

A DNS-polimeráz működésében fellépő ilyen hibák a nitrogénbázisok megváltozott formáinak megjelenésével járnak, amelyek „illegális” párokat alkotnak az anyalánc bázisaival. Például a citozin megváltozott formája a guanin helyett hidrogénkötést köt az adeninhez. Ennek eredményeként egy hibás nukleotid kerül a növekvő DNS-láncba. Az ilyen bázis módosult formájának gyors átalakulása a normálhoz megzavarja a mátrixhoz való kötődését, és megjelenik a növekvő DNS-lánc páratlan 3"-OH vége. Ebben a helyzetben a DNS által végrehajtott önkorrekciós mechanizmus A polimeráz (vagy egy közeli rokon enzim, a szerkesztő endonukleáz) aktiválódik Az önkorrekció egy olyan nukleotid hasításából áll, amely tévesen szerepel a DNS-láncban, és nincs párosítva a templáttal (14. ábra). a korrekció a hibagyakoriság 10-szeres csökkenése (10 -5-ről 10 -6-ra).

Az önkorrekció hatékonysága ellenére a DNS-duplikáció utáni replikáció során hibák észlelhetők. Ez különösen akkor figyelhető meg, ha a környező szubsztrátban négy nukleozid-trifoszfát koncentrációja megzavarodik. A változások jelentős része a DNS-molekulákban is bekövetkezik a purinbázisok - adenin és guanin elvesztésével (apurinizáció) - spontán lezajló folyamatok, vagy a citozin dezaminációja következtében, amely uracillá alakul át. A legutóbbi változások gyakorisága eléri a 100-at 1 genomonként/nap.

A DNS-ben lévő bázisok megváltoztathatók reaktív vegyületekkel, amelyek megzavarják normális párosításukat, valamint ultraibolya sugárzással, amely kovalens kötés kialakulását idézheti elő a DNS két szomszédos timincsoportja között (timin dimerek). Ezek a változások a következő replikációs ciklusban vagy a bázispárok elvesztéséhez vezetnek a leány-DNS-ben, vagy egyes párok kicserélődését másokkal. Ezek a változások valóban végigkísérik a DNS-replikáció minden ciklusát, de gyakoriságuk sokkal alacsonyabb, mint kellene. Ez azzal magyarázható, hogy a legtöbb ilyen jellegű változás az eredeti DNS-nukleotid szekvencia javító mechanizmusának (molekuláris helyreállításának) hatására megszűnik.

A javítási mechanizmus két komplementer lánc jelenlétén alapul a DNS-molekulában. Az egyikben a nukleotidszekvencia torzulását specifikus enzimek észlelik. Ezután a megfelelő szakaszt eltávolítják, és egy újjal helyettesítik, amely a második komplementer DNS-szálon szintetizálódik. Ezt a fajta javítást kivágásos javításnak nevezik, i.e. „vágással” (15. ábra). A következő replikációs ciklus előtt fordul elő, ezért is nevezik replikatívnak.

14. ábra. A korrekciós folyamat vázlata a DNS szintézis során:

A citoein megváltozott (tautomer) formájával rendelkező nukleotid I-befoglalása a DNS-láncban, amely „illegálisan” párosul az adeninnel; II - a citozin gyors átalakulása normál formájába megzavarja az adeninnel való párosítását; a szintetizált lánc párosítatlan 3"-OH vége megakadályozza annak további megnyúlását a DNS polimeráz hatására; III - a DNS polimeráz eltávolítja az illegális nukleotidot, aminek következtében a mátrixszal párosított 3"-OH vége újra megjelenik; IV – A DNS-polimeráz továbbra is meghosszabbítja a láncot a 3"-OH végén.

Az eredeti DNS-struktúra helyreállításához számos enzim részvétele szükséges. A javítási mechanizmus beindításának fontos pontja a DNS-szerkezet hibájának észlelése. Gyakran előfordulnak ilyen hibák az újonnan szintetizált láncban a replikációs folyamat során. A javító enzimeknek ezt a bizonyos láncot kell kimutatniuk. Sok élőlényfajban az újonnan szintetizált DNS-szál nitrogénbázisainak metilációjának mértékében tér el az anyai DNS-száltól, ami elmarad a szintézistől. Ebben az esetben a metilálatlan lánc javításon megy keresztül. A DNS-száltöréseket a javító enzimek is felismerhetik. A magasabb rendű élőlényekben, ahol a DNS-szintézis nem folyamatosan, hanem különálló replikonokban megy végbe, az újonnan szintetizált DNS-szál megszakad, ami lehetővé teszi annak felismerését. A DNS szerkezetének helyreállítása, amikor az egyik lánc purinbázisa elveszett, magában foglalja a hiba kimutatását az endonukleáz enzim segítségével, amely megszakítja a foszfoészter kötést a lánc károsodásának helyén. Ezután a megváltozott, több szomszédos nukleotiddal rendelkező szakaszt az exonukleáz enzim eltávolítja, és a helyére a komplementer lánc bázisainak sorrendjének megfelelően kialakítja a megfelelő nukleotidszekvenciát (15. ábra).

15. ábra. A kimetszés, a replikációs DNS-javítás sémája.

Amikor a DNS-láncban valamelyik bázis megváltozik, az eredeti szerkezet helyreállításában mintegy 20 DNS-glikoziláz enzim vesz részt, amelyek specifikusan felismerik a bázisok dezaminációja, alkilezése és egyéb szerkezeti átalakulásai által okozott károsodásokat. Az ilyen módosított bázisokat eltávolítjuk. A bázisoktól mentes területek megjelennek és helyreállnak, akárcsak a purinok elvesztése esetén. Ha a normál szerkezet nem áll helyre, például nitrogéntartalmú bázisok dezaminációja esetén a komplementer bázisok egy párja másokkal helyettesíthető - a C-G pár helyettesíthető T-A párral stb. .

A polinukleotid láncokban az UV sugarak hatására létrejövő timin-dimerek (T-T) kialakulásához olyan enzimek részvétele szükséges, amelyek nem az egyes megváltozott bázisokat, hanem a DNS-szerkezet kiterjedtebb károsodását ismerik fel. A javítási folyamat ebben az esetben a dimert hordozó régió eltávolításával és a komplementer DNS-szálon történő szintézissel a normál nukleotidszekvencia helyreállításával is összefügg.

Abban az esetben, ha a kimetszéssel javító rendszer nem korrigálja az egyik DNS-szálban bekövetkezett változást, a replikáció során ez a változás rögzül, és mindkét DNS-szál tulajdonává válik. Ez a komplementer nukleotidok egyik párjának egy másikkal való helyettesítéséhez, vagy az újonnan szintetizált láncban a megváltozott szakaszokkal szembeni szakadások (rések) megjelenéséhez vezet. A normál DNS-struktúra helyreállítása a replikáció után is megtörténhet.

A posztreplikatív javítás két újonnan képződött DNS kettős hélix közötti rekombinációval (fragmensek cseréje) történik. Ilyen posztreplikatív javítás például a normál DNS-struktúra helyreállítása, amikor timin-dimerek (T-T) keletkeznek, amikor nem spontán eliminálódnak látható fény hatására (fényreparáció), vagy a replikációs kivágás előtti javítás során.

A szomszédos timincsoportok között létrejövő kovalens kötések nem képesek komplementer nukleotidokhoz kötődni. Ennek eredményeként az újonnan szintetizált DNS-láncban törések (rések) jelennek meg, amelyeket a javító enzimek felismernek. Az egyik leány-DNS új polinukleotid-láncának integritásának helyreállítása egy másik leány-DNS megfelelő normál szülőláncával való rekombináció következtében történik. Az anyaláncban kialakult rést ezután egy azzal komplementer polinukleotid láncon történő szintézis tölti ki (16. ábra). Az ilyen, két leány-DNS-molekula láncai közötti rekombinációval végrehajtott posztreplikatív javítás megnyilvánulása a testvérkromatidák közötti gyakran megfigyelt anyagcsere (17. ábra).

16. ábra. A posztreplikatív DNS-javítás sémája:

I - timin-dimer megjelenése az egyik DNS-láncban;

II - „rés” kialakulása az újonnan szintetizált láncban az anyamolekula megváltozott szakaszával szemben a replikáció után (a nyíl mutatja a „rés” későbbi kitöltését a második leány-DNS-molekula megfelelő láncából származó szakaszsal);

III - a felső molekula leányláncának integritásának helyreállítása a rekombináció következtében és az alsó molekulában a komplementer láncon történő szintézis miatt

17. ábra. Interchromatid cserék (nyilakkal jelölve)

A replikáció előtti és utáni helyreállítás során a DNS-szerkezet károsodásának nagy része helyreáll. Ha azonban túl sok károsodás következik be a sejt örökítőanyagában, és annak egy része nem eliminálódik, akkor aktiválódik az indukálható (stimulált) javító enzimek rendszere (SOS rendszer). Ezek az enzimek kitöltik a hézagokat, helyreállítva a szintetizált polinukleotid láncok integritását anélkül, hogy szigorúan betartanák a komplementaritás elvét. Ez az oka annak, hogy néha maguk a javítási folyamatok is a DNS szerkezetében végbemenő változások (mutációk) forrásai lehetnek. Ez a reakció az SOS rendszerre is vonatkozik.

Ha egy sejtben az elvégzett javítás ellenére a DNS-szerkezet károsodásának mértéke magas marad, a DNS-replikációs folyamatok blokkolódnak. Az ilyen sejt nem osztódik, ami azt jelenti, hogy az ebből eredő változásokat nem adja át utódainak.

A DNS-károsodás által okozott sejtciklus-leállás a megváltozott örökítőanyag molekuláris helyreállításának lehetetlenségével kombinálva egy olyan fehérje részvételével, amelynek szintézisét a p53 gén szabályozza, az önpusztító folyamat (apoptózis) aktiválásához vezethet. ) a hibás sejt eltávolítása érdekében a szervezetből.

Így a különböző javító enzimek kiterjedt halmaza folyamatosan „ellenőrzi” a DNS-t, eltávolítva belőle a sérült területeket, és segít megőrizni az örökítőanyag stabilitását. A replikációs enzimek (DNS polimeráz és szerkesztő endonukleáz) és a javító enzimek együttes hatása biztosítja a DNS-molekulák meglehetősen alacsony hibagyakoriságát, amelyet genomonként 1 × 10 -9 pár megváltozott nukleotid szinten tartanak. A 3 × 10 9 nukleotidpár emberi genom méretével ez körülbelül 3 hiba előfordulását jelenti replikáló genomonként. Ugyanakkor már ez a szint is elegendő a jelentős genetikai diverzitás kialakulásához génmutációk formájában a földi élet fennállása során.

4.2.3 Változások a DNS-nukleotid szekvenciákban.

A gének kémiai szerkezetének korrigálatlan változásait, amelyek egymást követő replikációs ciklusokban reprodukálódnak, és az utódokban a tulajdonságok új változatai formájában nyilvánulnak meg, génmutációnak nevezzük.

A gént alkotó DNS szerkezetében bekövetkezett változások három csoportra oszthatók. Az első csoport mutációi abból állnak, hogy egyes bázisokat másokkal helyettesítenek. A spontán bekövetkező génváltozások körülbelül 20%-áért felelősek. A mutációk második csoportját a leolvasási keret eltolódása okozza, amely akkor következik be, amikor a génben lévő nukleotidpárok száma megváltozik. Végül a harmadik csoportot a génen belüli nukleotidszekvenciák sorrendjének megváltozásával (inverzió) kapcsolatos mutációk képviselik.

Mutációk a nitrogénbázisok helyettesítésének típusa szerint. Ezek a mutációk számos konkrét okból következnek be. Az egyik lehet a DNS-hélixben már szereplő bázis szerkezetének véletlenszerű vagy meghatározott kémiai ágensek hatására bekövetkező változása. Ha a bázis ilyen módosult formáját a javító enzimek nem észlelik, akkor a következő replikációs ciklus során újabb nukleotidot tud magához kapcsolni. Ilyen például a citozin dezaminálása, amely spontán vagy salétromsav hatására uracillá alakul (18. ábra). A keletkező uracil, amelyet a DNS-glikoziláz enzim nem vesz észre, a replikáció során adeninnel egyesül, amely ezt követően egy timidil-nukleotidot köt. Ennek eredményeként a DNS-ben a C-G párt egy T-A pár helyettesíti (19. ábra, I). A metilált citozin dezaminálása timinné alakítja (lásd 3.18. ábra). A timidil-nukleotidot, amely a DNS természetes összetevője, a javító enzimek nem észlelik változásként, és a következő replikáció során adenil-nukleotidot kapcsolnak hozzá. Ennek eredményeként a C-G pár helyett egy T-A pár is megjelenik a DNS molekulában (19. ábra, II).

18. ábra. A citozin spontán dezaminációja

A bázisszubsztitúció másik oka lehet, hogy a szintetizált DNS-láncba hibásan beépítenek egy nukleotidot, amely a bázis vagy annak analógjának kémiailag módosított formáját hordozza. Ha ezt a hibát a replikációs és javító enzimek nem észlelik, a megváltozott bázis bekerül a replikációs folyamatba, ami gyakran az egyik pár kicseréléséhez vezet. Példa erre az, hogy a replikáció során a timidil-nukleotidhoz hasonlóan 5-brómuracillal (5-BU) tartalmazó nukleotidot adnak az anyalánc adeninjéhez. A későbbi replikáció során az 5-BU könnyebben kötődik a guaninhoz, mint az adeninhez. A guanin a további duplikáció során komplementer párt alkot a citozinnal. Ennek eredményeként a DNS-molekulában az A-T párt egy G-C pár helyettesíti (20. ábra).

Rizs. 19. Mutációk a bázisszubsztitúció típusa szerint (nitrogénbázisok dezaminálása a DNS-láncban):

I - citozin átalakítása uracillá, a C-G pár helyettesítése T-A párral;

II - metil-citozin átalakítása timinné, a C-G pár helyettesítése T-A párral

A fenti példákból világosan látszik, hogy a DNS-molekula szerkezetében bekövetkező változások, például báziscsere, a replikációs folyamat előtt vagy alatt következnek be, kezdetben egy polinukleotid láncban. Ha az ilyen változásokat a javítás során nem korrigálják, akkor a későbbi replikáció során mindkét DNS-szál tulajdonává válnak.

Rizs. 20. Bázisszubsztitúciós mutációk (nitrogéntartalmú bázis analógjának felvétele a DNS-replikáció során)

Az egyik komplementer nukleotidpár másikkal való helyettesítésének következménye, hogy a peptidlánc aminosav-szekvenciáját kódoló DNS-nukleotidszekvenciában új triplett képződik. Ez nem befolyásolja a peptid szerkezetét, ha az új hármas „szinonimája” az előzőnek, pl. ugyanazt az aminosavat fogja kódolni. Például a valin aminosavat négy hármas kódolja: CAA, CAG, CAT, CAC. A harmadik bázis cseréje ezen hármasok egyikében sem változtatja meg a jelentését (a genetikai kód degenerációja).

Abban az esetben, ha az újonnan keletkezett triplett egy másik aminosavat titkosít, megváltozik a peptidlánc szerkezete és a megfelelő fehérje tulajdonságai. A pótlás jellegétől és helyétől függően a fehérje specifikus tulajdonságai különböző mértékben változnak. Vannak esetek, amikor egy peptidben csak egy aminosav pótlása jelentősen befolyásolja a fehérje tulajdonságait, ami összetettebb jellemzők változásában nyilvánul meg. Példa erre a humán hemoglobin tulajdonságainak változása sarlósejtes vérszegénységben (21. ábra). Az ilyen hemoglobinban - (HbS) (a normál HbA-val ellentétben) - a p-globin láncokban a hatodik pozícióban a glutaminsavat valin helyettesíti. Ez annak a következménye, hogy a glutaminsavat (CTT vagy TTC) kódoló triplettben az egyik bázis kicserélődik. Az eredmény egy triplet, amely titkosítja a valint (CAT vagy TsAT). Ebben az esetben egy aminosav pótlása a peptidben jelentősen megváltoztatja a hemoglobin részét képező globin tulajdonságait (csökken az O2-kötő képessége), és a személynél sarlósejtes vérszegénység jelei jelennek meg.

Egyes esetekben az egyik bázis helyettesítése egy másikkal az egyik értelmetlen hármas (ATT, ATC, ACC) megjelenéséhez vezethet, amely nem kódol egyetlen aminosavat sem. Az ilyen helyettesítés következménye a peptidlánc szintézisének megszakadása. Becslések szerint egy hármas nukleotid szubsztitúciója az esetek 25%-ában szinonim hármasok kialakulásához vezet; 2-3 - értelmetlen hármasban, 70 - 75%-ban - valódi génmutációk előfordulásához.

Így a bázisszubsztitúciós mutációk létrejöhetnek egy meglévő DNS kettős hélix egyik szálában a bázisszerkezet spontán megváltozása következtében, vagy egy újonnan szintetizált szál replikációja során. Ha ezeket a változtatásokat nem korrigálják a javítási folyamat során (vagy éppen ellenkezőleg, a javítás során jelentkeznek), akkor mindkét láncban rögzítésre kerülnek, majd a következő replikációs ciklusokban reprodukálódnak. Ezért az ilyen mutációk fontos forrása a replikációs és javítási folyamatok megzavarása.

Frame shift mutációk. Ez a fajta mutáció a spontán mutációk jelentős részét teszi ki. Egy vagy több komplementer nukleotidpár elvesztése vagy beépülése eredményeként fordulnak elő a DNS-nukleotid szekvenciába. A legtöbb vizsgált kereteltolódásos mutáció azonos nukleotidokból álló szekvenciákban található.

A DNS-láncban a nukleotidpárok számának változását bizonyos vegyi anyagok, például az akridinvegyületek genetikai anyagra gyakorolt hatásai segítik elő. A DNS kettős hélix szerkezetének deformálásával további bázisok beépüléséhez vagy azok elvesztéséhez vezetnek a replikáció során. Példa erre a T4 fágban proflavin hatásának kitett mutációk. Csak egy nukleotidpár beépítéséből vagy deléciójából állnak. A génben lévő nukleotidpárok számának a nagy osztódások (veszteségek) típusa szerinti változásának fontos oka lehet a röntgensugárzás. A gyümölcslégyben például ismert a szemszínt szabályozó gén mutációja, amelyet besugárzás okoz, és körülbelül 100 nukleotidpárból álló osztódásból áll.

21. ábra. Egy aminosav helyettesítésének pleiotróp hatása a humán hemoglobin β-láncában, ami sarlósejtes vérszegénység kialakulásához vezet

Nagyszámú inszerciós típusú mutáció lép fel a mobil genetikai elemek – transzpozonok – nukleotidszekvenciába való beépülése miatt. A transzpozonok meglehetősen hosszú nukleotidszekvenciák, amelyek az eu- és prokarióta sejtek genomjába ágyazódnak, és képesek spontán megváltoztatni helyzetüket. Bizonyos valószínűséggel inszerciók és felosztások léphetnek fel a rekombinációs hibák következtében az egyenlőtlen intragenikus keresztezés során (22. ábra).

22. ábra. Frame shift mutációk (egyenlőtlen csere az intragenikus átkelés során):

I - az allél gének megszakadása a különböző területeken és a fragmentumok cseréje közöttük;

II - a 3. és 4. nukleotidpár elvesztése, leolvasási kereteltolódás;

III - a 3. és 4. nukleotidpár megduplázódása, leolvasási kereteltolódás

23. ábra. A DNS-molekulában lévő nukleotidpárok számának változásának következménye

A leolvasási keretben bekövetkező eltolódás egy nukleotidnak a kodogén láncba való beillesztése következtében a benne kódolt peptid összetételének megváltozásához vezet.

Az olvasás folyamatossága és a genetikai kód átfedésének hiánya esetén a nukleotidok számának változása általában az olvasási keret eltolódásához és az adott DNS-szekvenciában rögzített biológiai információ jelentésének megváltozásához vezet ( 23. ábra). Ha azonban az inszertált vagy elvesztett nukleotidok száma háromszoros, akkor előfordulhat, hogy kereteltolódás nem következik be, de ez további aminosavak beépüléséhez vagy egyesek elvesztéséhez vezet a polipeptidláncból. A kereteltolódás lehetséges következménye a nonszenztripletek megjelenése, ami lerövidült peptidláncok szintéziséhez vezet.

Mutációk, mint például a nukleotidszekvenciák inverziója egy génben. Ez a fajta mutáció a DNS-szakasz 180°-os elforgatásának köszönhető. Ezt általában megelőzi a DNS-molekula egy hurok kialakítása, amelyen belül a replikáció a megfelelővel ellentétes irányban halad.

A fordított régión belül az információ olvasása megszakad, ami a fehérje aminosavszekvenciájának megváltozását eredményezi.

4.2.4 A változékonyság elemi egységei genetikai anyag. Mouton. Recon

A gén az örökletes anyag működésének elemi egysége. Ez azt jelenti, hogy a DNS-molekula egy külön génnek megfelelő fragmentuma, és a benne található biológiai információknak köszönhetően meghatározza egy adott tulajdonság kialakulásának lehetőségét, funkcionális szempontból tovább oszthatatlan. A fentebb bemutatott génmutációkra vonatkozó információk jelzik a kémiai szerkezetben bekövetkezett olyan változások jelentőségét, amelyek nem a teljes gént, hanem annak egyes szakaszait érintik, amelyek következtében a tulajdonság új változatai jelennek meg.

Az örökletes anyag minimális mennyisége, amely megváltoztatásakor egy tulajdonság variánsainak megjelenéséhez vezethet, megfelel a mutációs folyamat elemi egységének, és mutonnak nevezik. A fentebb tárgyalt génmutációs példák azt mutatják, hogy elegendő egy pár komplementer bázis helyettesítése egy génben ahhoz, hogy megváltoztassák az általa kódolt fehérje tulajdonságait. Így egy muton egy pár komplementer nukleotidnak felel meg.

Egyes génmutációk, mint például a nukleotidpárok inszerciói és deléciói, a DNS-molekulák közötti egyenlőtlen csere miatt lépnek fel a keresztezés során, pl. amikor a köztük lévő rekombináció megszakad. Ezt a leolvasási keret eltolódása kíséri, és a kívánt tulajdonságokkal rendelkező peptidlánc szintézisének megszakadásához vezet. A megfigyelések azt mutatják, hogy egy nukleotidpár inszerciója vagy deléciója elegendő a génben rögzített biológiai információ eltorzításához. A fentiekből következik, hogy a rekombináció - rekon - elemi egysége molekuláris szinten egy nukleotidpárnak felel meg.

A nukleotidszekvenciák spontán vagy különböző külső hatások hatására bekövetkező változásai oda vezetnek, hogy ugyanaz a gén több változatban is létezhet, amelyek a bennük lévő biológiai információkban különböznek egymástól. A génnek azt a sajátos létezési formáját, amely meghatározza egy adott tulajdonság specifikus változatának kialakulásának lehetőségét, allélnek nevezzük. Egy gén alléljai egy adott kromoszóma ugyanabban a régiójában – lókuszában – találhatók, amely általában egyidejűleg csak egy allélsorozatot tartalmazhat. Ez az allélokat alternatív (egymást kizáró) lehetőséggé teszi egy gén létezésére.

A kémiai szerkezet változása a gén különböző részein történhet. Ha összeegyeztethetőek az élettel, pl. nem vezetnek az ezen mutációkat hordozó sejtek vagy organizmusok elpusztulásához, ezek mindegyike megmarad a faj génállományában.

Egy gén különböző alléljainak egyidejű jelenlétét egy faj génállományában többszörös allélizmusnak nevezzük. Példa erre a gyümölcslégy különböző szemszínei: fehér, cseresznye, piros, sárgabarack, eozin, amelyeket a megfelelő gén különböző alléljai okoznak. Az emberekben, csakúgy, mint a szerves világ más képviselőiben, a többszörös allelizmus számos génre jellemző. Így az I gén három allélja határozza meg a vércsoportot az AB0 rendszer szerint (I A, I B, I 0). Az Rh állapotot meghatározó génnek két allélja van. Több mint száz allél tartalmaz a hemoglobin α- és β-polipeptidjeinek génjeit.

A többszörös allélizmus oka egy populáció génállományában a természetes szelekció során megmaradt génszerkezet véletlenszerű változásai (mutációk). Az ivaros szaporodás során rekombináló allélok diverzitása meghatározza az adott faj képviselői között a genotípusos diverzitás mértékét, ami nagy evolúciós jelentőséggel bír, növeli a populációk életképességét létük változó körülményei között. A gének allélállapota evolúciós és ökológiai jelentőségén túl nagy hatással van a genetikai anyag működésére. Az eukarióta szervezetek diploid szomatikus sejtjeiben a legtöbb gént két allél képviseli, amelyek együttesen befolyásolják a tulajdonságok kialakulását.

4.2.5 A génmutációk funkcionális osztályozása

A génszerkezet változásai általában kedvezőtlenek, csökkentik a sejt vagy szervezet életképességét (káros mutációk), és néha halálukhoz vezetnek (halálos mutációk). A ritkábban előforduló mutációk nem befolyásolják jelentősen hordozóik életképességét, ezért semlegesnek minősülnek. Végezetül, a jótékony hatású allélek (jótékony mutációk) rendkívül ritkán keletkeznek, hordozóik számára előnyös túlélést biztosítva. A legtöbb esetben egy gén újonnan felbukkant allélja recesszív módon működik a természetben elterjedt „vad” típusú allélhoz képest, azaz. nem jelenik meg vele együtt. De néha a gén mutáns formája lehet domináns, pl. elnyomja a populáció génállományában gyakoribb „vad” allél megnyilvánulását.

4.2.6 A káros hatások csökkentésének mechanizmusai génmutációk

A génmutációk hatására megváltozik a biológiai információ jelentése. Ennek kétféle következménye lehet. Az enyhén változó élőhelyeken az új információk általában csökkentik a túlélést. Amikor éles változás következik be az életkörülményekben, új ökológiai rést alakítanak ki, hasznos a sokféle információ jelenléte. E tekintetben a mutációs folyamat intenzitása természetes körülmények között olyan szinten marad, amely nem okoz katasztrofális csökkenést a faj életképességében. A mutációk káros következményeinek korlátozásában fontos szerepe van az evolúció során kialakult antimutációs mechanizmusoknak.

E mechanizmusok közül néhányat fentebb tárgyaltunk. A DNS-polimeráz működésének sajátosságairól beszélünk, amely a DNS-replikáció során kiválasztja a szükséges nukleotidokat, és a szerkesztő endonukleázzal együtt új DNS-lánc kialakítása során önkorrekciót is végez. Részletesen elemzik a DNS szerkezet javításának különböző mechanizmusait és a genetikai kód degeneráció szerepét. A probléma megoldása a biológiai kód triplettje, amely minimális számú helyettesítést tesz lehetővé a tripletten belül, ami az információ torzulásához vezet. Így a harmadik nukleotid szubsztitúcióinak 64%-a hármasokban nem változtatja meg azok szemantikai jelentését. Igaz, a második nukleotid 100%-os helyettesítése a triplett jelentésének torzulásához vezet.

A génmutációk káros következményei ellen védőfaktor a szomatikus eukarióta sejtek diploid kariotípusában lévő kromoszómák párosítása.

A gén allélok párosítása megakadályozza a mutációk fenotípusos megnyilvánulását, ha azok recesszívek.

A génmutációk káros következményeinek csökkentéséhez bizonyos mértékben hozzájárul a létfontosságú makromolekulákat kódoló gének extramásolásának jelensége. Ez abból áll, hogy a genotípusban több tíz, néha több száz azonos másolat található ilyen génekből. Ilyen például az rRNS, tRNS és hiszton fehérjék génjei, amelyek nélkül egyetlen sejt élete sem lehetséges.

Extrakópiák jelenlétében egy vagy akár több azonos gén mutációs változása nem jár katasztrofális következményekkel a sejtre nézve. A változatlan másolatok elegendőek a normál működés biztosításához.

A polipeptid aminosav-szubsztitúcióinak funkcionális egyenlőtlensége szintén jelentős. Ha az új és a helyettesített aminosavak fizikai-kémiai tulajdonságaiban hasonlóak, akkor a fehérje harmadlagos szerkezetében és biológiai tulajdonságaiban bekövetkező változások elenyészőek.

Így a mutáns humán hemoglobin HbS és HbC abban különbözik a normál hemoglobin HbA-tól, hogy a glutaminsav p-láncának 6. pozícióját valinra vagy lizinre cseréli. Az első csere drámaian megváltoztatja a hemoglobin tulajdonságait, és súlyos betegség - sarlósejtes vérszegénység - kialakulásához vezet.

A második pótlással a hemoglobin tulajdonságai sokkal kisebb mértékben változnak.

Ezeknek a különbségeknek az az oka, hogy a glutaminsav és a lizin hasonló hidrofil tulajdonságokat mutat, míg a valin egy hidrofób aminosav.

A felsorolt mechanizmusok tehát hozzájárulnak az evolúció során kiválasztott gének megőrzéséhez, és egyúttal különböző alléljaik felhalmozódásához a populáció génállományában, az örökletes variabilitás tartalékát képezve. Ez utóbbi határozza meg a populáció nagy evolúciós plaszticitását, i.e. képes túlélni különféle körülmények között.

4.3 Genetikai információ felhasználása életfolyamatokban

4.3.1. Az RNS szerepe az örökletes információ megvalósításában

A genetikai kód segítségével rögzített örökletes információkat a DNS-molekulák tárolják és megsokszorozzák annak érdekében, hogy az újonnan képződött sejtek megkapják a normális fejlődésükhöz és működésükhöz szükséges „utasításokat”. Ugyanakkor a DNS közvetlenül nem vesz részt a sejtek életfenntartásában. A közvetítő szerepét, amelynek feladata, hogy a DNS-ben tárolt örökletes információkat működő formába fordítsa, a ribonukleinsavak - RNS - töltik be.

A DNS-molekulákkal ellentétben a ribonukleinsavakat egyetlen polinukleotid lánc képviseli, amely négyféle nukleotidból áll, amelyek cukrot, ribózt, foszfátot és négy nitrogénbázis egyikét - adenint, guanint, uracilt vagy citozint - tartalmazzák. Az RNS-t DNS-molekulákon szintetizálják RNS-polimeráz enzimek segítségével a komplementaritás és az antiparallelizmus elvének megfelelően, az uracil pedig komplementer a DNS-adeninnel az RNS-ben. A sejtben működő RNS-ek teljes változata három fő típusra osztható: mRNS, tRNS, rRNS.

Mátrix, vagy információ, RNS (mRNS vagy mRNS). Átírás. A meghatározott tulajdonságokkal rendelkező fehérjék szintetizálása érdekében „utasításokat” küldenek a felépítésük helyére az aminosavak peptidláncba való beépülésének sorrendjéről. Ezt az utasítást a DNS megfelelő szakaszaiban szintetizált mátrix vagy hírvivő RNS (mRNS, mRNS) nukleotidszekvenciája tartalmazza. Az mRNS szintézis folyamatát transzkripciónak nevezik.

Az mRNS szintézise a DNS-molekula egy speciális régiójának RNS-polimeráz általi detektálásával kezdődik, amely jelzi a transzkripció kezdetének helyét - a promotert. A promóterhez való kötődés után az RNS-polimeráz letekerteti a DNS-hélix szomszédos fordulatát. Ezen a ponton két DNS-szál válik szét, és az egyiken az enzim mRNS-t szintetizál. A ribonukleotidok láncba építése a DNS-nukleotidokkal való komplementaritásuknak megfelelően történik, és a DNS-templát szálhoz képest antiparallel módon történik. Tekintettel arra, hogy az RNS-polimeráz csak az 5"-től a 3"-os végig képes polinukleotidot összeállítani, a két DNS-szál közül csak az egyik, vagyis az, amelyik a 3"-os végével az enzim felé néz, szolgálhat templátként. transzkripcióhoz ( 3" → 5"). Az ilyen láncot kodogénnek nevezzük (3.24. ábra). Egy DNS-molekulában két polinukleotid lánc antiparallel kapcsolódása lehetővé teszi az RNS-polimeráz számára, hogy helyesen válassza ki a templátot az mRNS szintéziséhez.

A kodogén DNS-lánc mentén haladva az RNS-polimeráz fokozatosan pontosan újraírja az információkat, amíg nem találkozik egy specifikus nukleotidszekvenciával - egy transzkripciós terminátorral. Ebben a régióban az RNS-polimeráz mind a DNS-templáttól, mind az újonnan szintetizált mRNS-től elválik (25. ábra). A DNS-molekula egy fragmentuma, amely egy promotert, egy átírt szekvenciát és egy terminátort tartalmaz, egy transzkripciós egységet – egy transzkripciót – képez.

1. táblázat: Az mRNS genetikai kódja (a terminátor kodonok aláhúzva vannak). Második nukleotid

U	C	A	G

24. ábra. Az mRNS szintézis sémája

Az mRNS-transzkripció templátja a kodogén DNS-szál, amelynek 3 vége az enzim felé néz.

Rizs. 25. Az RNS polimeráz szerepe a transzkripcióban:

I - a promoter régió kimutatása a DNS-molekulában és a DNS-hélix feltekercselése; II - az RNS-lánc szintézisének elindítása az első két ribonukleozid-grifoszfát megkötésével; III - az RNS-lánc meghosszabbítása 5" → 3" irányban ribonukleozid-grifoszfátok hozzáadásával; IV - a szintetizált RNS 5" végének felszabadítása és a DNS kettős hélix helyreállítása; V - az RNS szintézis befejezése a terminátor régióban, a polimeráz elválasztása a teljes RNS-lánctól

Transzfer RNS (tRNS). Adás. A transzfer RNS (tRNS) fontos szerepet játszik abban a folyamatban, hogy egy sejt örökletes információkat használ fel. Azáltal, hogy a szükséges aminosavakat a peptidláncok összeállításának helyére juttatja, a tRNS transzlációs közvetítőként működik.

A tRNS-molekulák specifikus DNS-szekvenciákból szintetizált polinukleotid láncok. Viszonylag kis számú nukleotidból állnak - 75-95. A tRNS polinukleotid lánc különböző részein elhelyezkedő bázisok komplementer kapcsolódása eredményeként lóherelevélre emlékeztető szerkezetet nyer (26. ábra).

26. ábra. Egy tipikus tRNS-molekula felépítése

Négy fő részből áll, amelyek különböző funkciókat látnak el. Az akceptor „szárat” a tRNS két, egymással komplementer módon összekapcsolt terminális része alkotja. Hét bázispárból áll. Ennek a szárnak a 3"-os vége valamivel hosszabb és egyszálú régiót alkot, amely egy szabad OH-csoportot tartalmazó CCA-szekvenciával végződik. A transzportált aminosav ehhez a véghez kapcsolódik. A maradék három ág olyan komplementer páros nukleotidszekvenciák, amelyek párosítatlan területeket zárnak le, amelyek hurkokat képeznek. Ezeknek az ágaknak a közepe - az antikodon - öt nukleotidpárból áll, és a hurok közepén egy antikodont tartalmaz. Az antikodon három, az mRNS kodonnal komplementer nukleotid, amely az e tRNS által a peptidszintézis helyére szállított aminosavat kódolja.

Az akceptor és az antikodon ág között két oldalág van. A hurkokban módosított bázisokat tartalmaznak - dihidrouridint (D-hurok) és egy TψC triplettet, ahol y pszeudouridin (T^C-hurok). Az aitikodon és a T^C ág között egy további hurok található, amely 3-5-13-21 nukleotidot tartalmaz.

Általában a különböző típusú tRNS-eket a nukleotidszekvencia bizonyos állandósága jellemzi, amely leggyakrabban 76 nukleotidból áll. Számuk eltérése főként a további hurokban lévő nukleotidok számának változásából adódik. A tRNS szerkezetét támogató komplementer régiók általában konzerváltak. A tRNS primer szerkezete, amelyet a nukleotid szekvencia határoz meg, a tRNS másodlagos szerkezetét alkotja, amely lóherelevél alakú. A másodlagos szerkezet viszont meghatározza a háromdimenziós harmadlagos szerkezetet, amelyet két, egymásra merőlegesen elhelyezkedő kettős hélix kialakulása jellemez (27. ábra). Az egyiket az akceptor és a TψC ág, a másikat az antikodon és a D ág alkotja.

A tRNS különböző típusai hasonló harmadlagos szerkezettel rendelkeznek, bár bizonyos eltérésekkel.

27. ábra. A tRNS térbeli szerveződése:

I - a tRNS másodlagos szerkezete „lóherelevél” formájában, amelyet elsődleges szerkezete (a láncban lévő nukleotidok szekvenciája) határoz meg;

II - a tRNS harmadlagos szerkezetének kétdimenziós vetülete;

III - a tRNS-molekula térbeli elrendezésének diagramja

A tRNS egyik jellemzője a szokatlan bázisok jelenléte, amelyek kémiai módosítás eredményeként keletkeznek, miután egy normál bázist beépítenek a polinukleotid láncba. Ezek a megváltozott bázisok meghatározzák a tRNS-ek nagy szerkezeti diverzitását szerkezetük általános tervében. A legnagyobb érdeklődésre számot tartanak az antikodont alkotó bázisok módosításai, amelyek befolyásolják az antikodonnal való kölcsönhatás specifitását. Például az atipikus bázis-inozin, amely néha a tRNS-antikodon 1. pozíciójában található, képes komplementeren kombinálódni az mRNS-kodon három különböző harmadik bázisával - U, C és A (3.28. ábra). Mivel a genetikai kód egyik jellemzője a degeneráltsága (lásd a 3.4.1.2. fejezetet), sok aminosavat több kodon kódol, amelyek általában a harmadik bázisukban különböznek egymástól. A módosított antikodonbázis nem specifikus kötődése miatt egy tRNS több szinonim kodont is felismer.

28. ábra. Az inozin összekapcsolása hidrogénkötésekkel három különböző nitrogéntartalmú bázissal A hidrogénkötéseket pontok jelzik.

29. ábra. Egy aminosav csatolása a megfelelő tRNS-hez:

I - 1. szakasz, aminosav és ATP kölcsönhatása pirofoszfát felszabadulásával;

II - 2. szakasz, egy adepilált aminosav kapcsolódása az RNS 3"-os végéhez

Az első szakaszban az aminosavat a karboxilcsoport és az ATP kölcsönhatása révén aktiválják. Ennek eredményeként adepilált aminosav képződik.

A második szakaszban ez a vegyület kölcsönhatásba lép a megfelelő tRNS 3" végén található OH csoporttal, és az aminosav a karboxilcsoportjával kapcsolódik hozzá, AMP szabadul fel, így ez a folyamat a tRNS-ből nyert energia felhasználásával megy végbe. az ATP hidrolízise AMP-vé.

Az aminosav és a megfelelő antikodont hordozó tRNS közötti kapcsolat specificitása az aminoacil-tRNS szintetáz enzim tulajdonságainak köszönhetően érhető el. A citoplazmában olyan enzimek egész sora található, amelyek képesek térben felismerni egyrészt aminosavukat, másrészt a megfelelő tRNS antikodont (3.30. ábra). A DNS-molekulákba „rögzített” és az mRNS-re „újraírt” örökletes információ a transzláció során megfejtődik a molekulafelületek specifikus felismerésének két folyamata miatt. Először is, az aminoacil-tRNS szintetáz enzim biztosítja a tRNS és az általa szállított aminosav összekapcsolását. Az aminoacil-tRNS ezután antikodon-kodon kölcsönhatások révén komplementeren párosul az mRNS-sel. A tRNS rendszer segítségével az mRNS nukleotid láncának nyelve. A peptid aminosavszekvenciájának nyelvére fordítják le (30. ábra).

Riboszomális RNS (rRNS). A fehérjeszintézis riboszómális ciklusa. Az mRNS és a tRNS közötti kölcsönhatás folyamata, amely biztosítja az információ fordítását a nukleotidok nyelvéről az aminosavak nyelvére, a riboszómákon történik. Az utóbbiak rRNS és különféle fehérjék komplex komplexei, amelyekben az előbbiek vázat alkotnak. A riboszómális RNS-ek nemcsak a riboszómák szerkezeti alkotóelemei, hanem biztosítják azok kötődését az mRNS egy specifikus nukleotidszekvenciájához. Ez létrehozza a peptidlánc kialakulásának kezdő és leolvasási keretét. Ezenkívül biztosítják a riboszóma és a tRNS közötti kölcsönhatást. Számos riboszómát alkotó fehérje az rRNS-sel együtt szerkezeti és enzimatikus szerepet is betölt.

30. ábra. A genetikai kód transzlációjának sémája: I - aminosav (triptofán) hozzáadása a megfelelő tRNS-hez az aminoacil-tRNS szintetáz enzim segítségével; II - az aminosavát hordozó tRNS kötődése az mRNS-hez az antikodonjának az mRNS kodonjához való kötődése miatt

A pro- és eukarióták riboszómái szerkezetükben és funkciójukban nagyon hasonlóak. Két részrészecskéből állnak: nagy és kicsi. Az eukariótákban a kis részszemcsét egy rRNS-molekula és 33 különböző fehérje molekula alkotja. A nagy alegység három rRNS-molekulát és körülbelül 40 fehérjét egyesít. A prokarióta riboszómák, valamint a mitokondriumok és plasztidok riboszómái kevesebb komponenst tartalmaznak.

A riboszómák két barázdával rendelkeznek. Az egyik a növekvő polipeptidláncot, a másik az mRNS-t tartja. Ezenkívül a riboszómák két tRNS-kötőhellyel rendelkeznek. Az aminoacil A hely egy specifikus aminosavat hordozó aminoacil-tRNS-t tartalmaz. A peptidil P-hely általában tRNS-t tartalmaz, amely peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavláncokkal van feltöltve. Az A- és P-helyek kialakulását a riboszóma mindkét alrészecskéje biztosítja.

A riboszóma bármely pillanatban átvizsgálja az mRNS egy szegmensét, amely körülbelül 30 nukleotid hosszú. Ez csak két tRNS és két szomszédos mRNS kodon kölcsönhatását biztosítja (31. ábra).

Az információnak az aminosavak „nyelvére” történő fordítása a peptidlánc fokozatos növekedésében fejeződik ki, az mRNS-ben található utasításoknak megfelelően. Ez a folyamat a riboszómákon megy végbe, amelyek a tRNS segítségével biztosítják a dekódoló információ szekvenciáját. A transzláció során három fázis különböztethető meg: a peptidlánc szintézisének beindítása, megnyúlása és befejezése.

31. ábra. A tRNS-molekulák és riboszómák kötődési helyei:

I - terheletlen riboszóma, II - töltött riboszóma; ak - aminosav

Az iniciációs fázis, vagyis a peptidszintézis kezdete két riboszómális részecske egyesüléséből áll, amelyek korábban a citoplazmában az mRNS egy bizonyos szakaszán elkülönültek, és ehhez kapcsolódnak az első aminoacil-tRNS. Ez beállítja az mRNS-ben lévő információ leolvasási keretét is (32. ábra).

Bármely mRNS molekulájában, annak 5"-os vége közelében található egy, a kis riboszomális alegység rRNS-ével komplementer és általa specifikusan felismert régió, mellette található az aminot kódoló OUT indító startkodon. savas metionin.A riboszóma kis alegysége úgy kapcsolódik az mRNS-hez, hogy az OUT startkodon a P-helynek megfelelő régióban helyezkedik el, ilyenkor csak a metionint hordozó iniciáló tRNS képes felvenni. a kis alegység befejezetlen P-helyére kerül, és komplementeren egyesül a startkodonnal.A leírt esemény után a riboszóma nagy és kis alegységei egyesülnek, peptidil- és aminoacil-rajzaik kialakításával (3.32. ábra).

32. ábra. A fehérjeszintézis beindítása:

I - a riboszóma kis alrészének összekapcsolása mRNS-sel, a metionint hordozó tRNS összekapcsolása, amely a befejezetlen P-helyen található, a start kodonhoz; II - a riboszóma nagy és kis részecskéinek összekapcsolása a P és A szakaszok kialakulásával; a következő szakasz a benne található mRNS kodonnak megfelelő aminoacil-tRNS A-helyre történő elhelyezéséhez kapcsolódik - az elongáció kezdete; ak - aminosav

Az iniciációs fázis végére a P-helyet a metioninhoz kötött aminoacil-tRNS foglalja el, míg a riboszóma A-helye a startkodon mellett helyezkedik el.

A leírt transzlációs iniciációs folyamatokat speciális fehérjék - iniciációs faktorok - katalizálják, amelyek rugalmasan kapcsolódnak a riboszóma kis alegységéhez. Az iniciációs fázis befejeződése és a riboszóma - mRNS - iniciáló aminoacil-tRNS komplex kialakulása után ezek a faktorok elkülönülnek a riboszómától.

Az elongációs fázis, vagy a peptid meghosszabbítása magában foglalja az összes reakciót az első peptidkötés kialakulásától az utolsó aminosav hozzáadásaig. Ciklikusan ismétlődő eseményeket jelent, amelyek során az A-helyen található következő kodon aminoacil-tRNS-ének specifikus felismerése történik, és komplementer kölcsönhatás lép fel az antikodon és a kodon között.

A tRNS háromdimenziós szerveződésének sajátosságai miatt, amikor antikodonja kapcsolódik az mRNS kodonjához. az általa szállított aminosav az A-helyen helyezkedik el, közel a korábban a P-helyen található aminosavhoz. Két aminosav között peptidkötés jön létre, amelyet a riboszómát alkotó speciális fehérjék katalizálnak. Ennek eredményeként az előző aminosav elveszíti kapcsolatát tRNS-ével, és csatlakozik az A-helyen található aminoacil-tRNS-hez. Ebben a pillanatban a P-szakaszban található tRNS felszabadul és a citoplazmába kerül (33. ábra). A peptidlánccal megtöltött tRNS mozgását az A-helyről a P-helyre a riboszóma előrehaladása kíséri az mRNS mentén, egy kodonnak megfelelő lépéssel. Most a következő kodon érintkezik az A hellyel, ahol specifikusan „felismeri” a megfelelő aminoacil-tRNS, amely oda helyezi el az aminosavát. Ez az eseménysorozat addig ismétlődik, amíg a riboszóma A helyére meg nem érkezik egy terminátorkodon, amelyhez nincs megfelelő tRNS.

33. ábra. Elongációs fázis a fehérjeszintézisben:

1. szakasz - aminoacil-tRNS-t adunk az A-helyen található kodonhoz;

2. szakasz - peptidkötés jön létre az A és P szakaszban található aminosavak között: a P szakaszban található tRNS megszabadul aminosavától és elhagyja a riboszómát;

3. szakasz - a riboszóma az mRNS egy kodonja mentén mozog úgy, hogy a peptidlánccal feltöltött tRNS az A-helyről a P-helyre mozog; a szabad A helyet a megfelelő aminoacil-tRNS foglalhatja el

34. ábra. A peptidlánc szintézis leállítása:

1. szakasz - a felszabadulási faktor kapcsolódása a stopkodonhoz;

2. szakasz - termináció, a kész peptid felszabadulása;

3. szakasz - a riboszóma disszociációja két részecske

A peptidlánc összeállítása a hőmérséklettől függően meglehetősen nagy sebességgel megy végbe. Baktériumokban 37 °C-on 12-17 aminosav 1 másodpercenkénti hozzáadásával fejeződik ki az alpeptidhez. Eukarióta sejtekben ez az arány alacsonyabb, és 1 másodpercenként két aminosav hozzáadásával fejeződik ki.

A terminációs fázis, vagy a polipeptid szintézis befejeződése ahhoz kapcsolódik, hogy egy specifikus riboszomális fehérje felismeri az egyik terminációs kodont (UAA, UAG vagy UGA), amikor az belép a riboszóma A-hely zónájába. Ebben az esetben a peptidlánc utolsó aminosavához vizet adnak, és annak karboxilvégét elválasztják a tRNS-től. Ennek eredményeként az elkészült peptidlánc elveszíti kapcsolatát a riboszómával, amely két részecske részre bomlik (34. ábra).

4.3.2 A szervezet és a kifejezés jellemzői genetikai információ pro- és eukariótákban

Az öröklődési és változékonysági anyag kémiai szerveződését tekintve az eukarióta és prokarióta sejtek alapvetően nem különböznek egymástól. Genetikai anyaguk a DNS. Közös bennük a genetikai információ rögzítésének elve, valamint a genetikai kód. Ugyanazokat az aminosavakat ugyanazok a kodonok kódolják a pro- és eukariótákban. A fent említett sejttípusokban a DNS-ben tárolt örökletes információk felhasználása alapvetően azonos módon történik. Először egy mRNS-molekula nukleotidszekvenciájába íródik át, majd a tRNS közreműködésével egy peptid aminosavszekvenciájává transzlálódik a riboszómákon. Azonban az örökletes anyag szerveződésének bizonyos jellemzői, amelyek megkülönböztetik az eukarióta sejteket a prokariótáktól, meghatározzák a genetikai információik felhasználásának különbségeit.

A prokarióta sejt örökítőanyagát főként egyetlen körkörös DNS-molekula tartalmazza. Közvetlenül a sejt citoplazmájában található, ahol a génexpresszióhoz szükséges tRNS és enzimek is találhatók, amelyek egy részét a riboszómák tartalmazzák. A prokarióta gének teljes egészében kódoló nukleotidszekvenciákból állnak, amelyek a fehérjék, a tRNS vagy az rRNS szintézise során jönnek létre.

Az eukarióták örökítőanyaga nagyobb térfogatú, mint a prokariótáké. Főleg speciális nukleáris struktúrákban - kromoszómákban található, amelyeket a nukleáris burok választ el a citoplazmától. A fehérjeszintézishez szükséges, riboszómákból, tRNS-ből, aminosavakból és enzimekből álló apparátus a sejt citoplazmájában található.

Jelentős különbségek vannak az eukarióta sejtekben a gének molekuláris szerveződésében. Legtöbbjükben az exonok kódoló szekvenciáját olyan intron régiók szakítják meg, amelyeket nem használnak a tRNS, rRNS vagy peptidek szintézisében. Az ilyen helyek száma különböző génekben változik. Megállapítást nyert, hogy a csirke ovalbumin gén 7 intront tartalmaz, az emlős prokollagén gén pedig 50-et. Ezek a régiók eltávolíthatók az elsődleges átírt RNS-ből, ezért a genetikai információ felhasználása egy eukarióta sejtben némileg eltérően történik. Egy prokarióta sejtben, ahol az örökítőanyag és a fehérje bioszintézis apparátusa térben nem különül el, a transzkripció és a transzláció szinte egyidejűleg megy végbe. Egy eukarióta sejtben ezt a két stádiumot nemcsak térben választja el a magburok, hanem időbelileg is elválasztják az mRNS érési folyamatai, amelyekből a nem informatív szekvenciákat el kell távolítani (35. ábra).

Rizs. 35. A genetikai információ expressziós folyamatának általánosított diagramja eukarióta sejtben

A genetikai információ kifejeződésének egyes szakaszaiban jelzett különbségek mellett meg lehet jegyezni e folyamatok lefolyásának néhány jellemzőjét a pro- és eukariótákban.

Transzkripció pro- és eukariótákban. A transzkripció az RNS szintézise egy DNS-templáton. A prokariótákban mindhárom típusú RNS szintézisét egy komplex fehérjekomplex - az RNS-polimeráz - katalizálja.

Az eukarióta sejtek transzkripciós apparátusa három nukleáris RNS polimerázt, valamint mitokondriális és plasztid RNS polimerázt tartalmaz. Az RNS-polimeráz I a sejtek magjában található, és felelős az rRNS-gének átírásáért. Az RNS-polimeráz II a nukleáris nedvben lokalizálódik, és felelős az mRNS-prekurzor szintéziséért. Az RNS-polimeráz III egy kis frakció, amely a nukleáris nedvben található, és kisméretű rRNS és tRNS szintézisét végzi. Ezen enzimek mindegyikének két nagy alegysége és legfeljebb 10 kicsi alegysége van. A mitokondriumok és plasztidok RNS polimerázai különböznek a nukleáris polimerázoktól.

Az RNS-polimeráz enzimkomplex specifikusan felismer egy bizonyos nukleotidszekvenciát (gyakran egynél többet), amely bizonyos távolságra található a transzkripció kiindulási pontjától - a promotertől. A kiindulási pontnak azt a DNS-nukleotidot tekintjük, amely megfelel az enzim által az RNS-transzkriptumban szereplő első nukleotidnak.

A prokariótákban a transzkripció kiindulási pontjától nem messze van egy hat nukleotidból álló szekvencia - TATAAT, amelyet Pribnow blokknak neveznek. Ez egy átlagos szekvencia, amely a leggyakrabban előforduló bázisokból áll, amelyek közül a legkonzerváltabbak az 1-es, 2-es és 6-os bázisok. A bázisok jelenléte ebben a szekvenciában, amelyeket túlnyomórészt kettős hidrogénkötések kapcsolnak össze a másik lánc komplementer bázisaival, nyilvánvalóan elősegíti a DNS kettős hélix lokális megolvadását és két egyszálú szakaszának kialakulását az RNS polimerázzal való érintkezés során. A Pribnov blokk - 11-től - 5-ig vagy -14-től - 8-ig terjedő pozícióban található, azaz. néhány nukleotiddal a transzkripció kezdőpontja előtt (36. ábra). Ennek a szekvenciának a kimutatásakor az RNS-polimeráz szorosan kötődik hozzá, és megkezdi az RNS-szintézist. Ugyanilyen fontos szerepet játszik az RNS polimeráz és a DNS közötti kapcsolat kialakításában egy másik nukleotid szekvencia, amelynek középpontja a 35. pozícióban található. Ezt felismerő régiónak nevezik - TTGACA. A két jelzett régió közötti távolság meglehetősen állandó, és 16-19 nukleotidpár (bp) között mozog.

Az eukarióta génpromoterek legalább két specifikus nukleotidszekvenciát is tartalmaznak, amelyek központjai a -25 és -75 bp pozíciókban helyezkednek el.

A transzkripció kiindulási pontjától 19-27 nukleotid távolságra számos eukarióta génben az átlagos TAT A T A A T szekvenciát (TATA blokk vagy Hogness blokk) találtuk, amelyben a prokarióták Pribnow blokkjához hasonlóan a bázisok dominálnak. , gyengébb kötéseket képezve. A második szekvenciát, amely számos eukarióta promoterben megtalálható, és amely GG C T CAATCT-ből áll, a CAAT blokk elnevezése. -70 és -80 nukleotid közötti pozíciót foglal el, és a polimeráz által felismert régió is. Egyes génekben többkomponensű promotereket találtak.

Így a herpeszvírus egyes génjeiben három DNS-szekvencia szükséges a transzkripció hatékony megindításához, amelyek -19 és -27, -47 és -61 között, valamint -80 és -105 nukleotid között helyezkednek el.

36. ábra. Az RNS polimeráz érintkezési pontjai a DNS felső szálában (promoter)

A promóterrégiók jellemzői arra utalnak, hogy a transzkripció megindításához nem csak a bázisok kombinációja a promoter egyes régióiban fontos, hanem az is, hogy ezeknek a régióknak a DNS-molekulában elhelyezkedő relatív elhelyezkedése, amelyhez az RNS-polimeráz enzimkomplex kötődik.

Az RNS-polimeráz és a promoterrégió közötti érintkezés létrejötte után megkezdődik az RNS-molekula összeállítása, amelybe leggyakrabban egy purinbázist (általában adenint) hordozó nukleotid, amely három 5'-foszfát-maradékot tartalmaz, az első nukleotid.

Továbbá, ahogy az RNS-polimeráz a DNS-molekula mentén mozog, az RNS-lánc fokozatosan megnyúlik, ami addig folytatódik, amíg az enzim nem találkozik a terminátorrégióval. A terminátor az a terület, ahol az RNS-lánc további növekedése megáll, és kiszabadul a DNS-templátból. Az RNS polimeráz is elválik a DNS-től, ami visszaállítja annak kétszálú szerkezetét.

37. ábra. A DNS kettős szimmetriájú régiója egy palindrom:

Az I egy palindrom, amelyben van egy olyan szekvencia, amely ellentétes irányban olvasva megegyezik;

II - palindrom, amelyben az árnyékolt fordított ismétlődés a szimmetriatengelytől távol helyezkedik el

A prokarióta sejtekben a terminátorok szükségszerűen tartalmaznak palindromokat – kétszálú DNS-nukleotidszekvenciákat, amelyek mindkét irányban egyformán olvashatók (37. ábra). Az ilyen szekvenciából átírt RNS egy szakasza a palindrom nukleotidok komplementer párosítása miatt képes kétszálú hajtűket képezni. Talán ez egy jel a teljes transzkripcióhoz, amelyet az RNS polimeráz ismer fel (3.38. ábra). A kapott hajtűk láthatóan megállítják a polimerázt a terminátornál. A hajtűt követően egy uracilt (polyU) tartalmazó nukleotidszekvencia kerül az RNS-molekulába, amely valószínűleg részt vesz az RNS felszabadulásában a DNS-templátból. Valójában egy poliadenil (poliA) DNS-szekvenciához kapcsolódó poliU RNS-szekvenciát gyenge kölcsönhatás jellemez. Figyelemre méltó az a tény, hogy egy A-T párokban gazdag DNS-régió nemcsak a transzkripció iniciációs helyén (Pribnow-blokk) fordul elő, hanem a terminátor régióban is.

A bakteriális terminátorok hatékonysága jelentősen eltér. Néhányukat az RNS-polimeráz nem veszi észre, és a terminátoron túl is folytatja a transzkripciót. A terminátor ilyen leolvasása a bakteriális gének transzkripciója során megfigyelhető annak eredményeként, hogy specifikus fehérjék - antiterminációs faktorok - megakadályozzák a terminációt. Az antitermináció következménye a policisztron mRNS szintézise, amely több, egymás után elhelyezkedő szerkezeti génről másolt információt tartalmaz.

Az eukariogén gének terminátorait kisebb mértékben vizsgálták, mint a proszkariótákban, de hármas hidrogénkötéssel összekapcsolt G-C párokban gazdag régiókat is találtak bennük, amelyekben A-T párokat tartalmazó régió található. Ezen a helyen egy poliU szekvencia szerepel a transzkriptumban, amely gyengén lép kölcsönhatásba a templát poliA régió DNS-ével.

Talán a G-C párokban gazdag terminátor régió bizonyos szerepet játszik az RNS polimeráz leállításában, az UUUU-t tartalmazó RNS régió pedig biztosítja a transzkriptum DNS-templáttól való elválasztását.

Eukariótákban a prokarióta RNS-ekben a hajtűekhez hasonló struktúrák kialakulását nem mutatták ki. Ezért továbbra sem világos, hogy a transzkripció terminációja hogyan történik bennük.

Minden mRNS-ben megkülönböztethetők a kódoló régiók, amelyek olyan kodonkészletet képviselnek, amely kódolja a peptid aminosav-szekvenciáját. Ezek a régiók általában az AUG startkodonnal kezdődnek, de néha baktériumokban a GUT kodont használják. A kódoló szekvencia végén egy stopkodon található. A kódoló régiókon kívül további szekvenciák is elhelyezkedhetnek az mRNS mindkét végén. Az 5" végén van egy vezető régió, amely a start kodon előtt helyezkedik el. A 3" végén egy trailer követi a terminátor kodont.

38. ábra. Hajtűképződés az RNS egy régiója által a transzkripció befejeződése során prokariótákban

A palindromot hordozó RNS-régió komplementer párosító struktúrát alkot - hajtűt (a fordított ismétlődések árnyékoltak)

A prokarióták policisztronos mRNS-ében a kódoló régiók között különböző méretű intercisztronos régiók találhatók (3.39. ábra).

39. ábra. Prokarióták policisztron hírvivő RNS-e:

1 - nem kódoló régiók, 2 - intercisztronos régiók, 3 - kódoló régiók, 4 - stop kodonok

Tekintettel arra, hogy a prokarióta gének teljes egészében információt kódoló nukleotid szekvenciákból állnak, a belőlük átírt RNS közvetlenül a szintézis után templátként szolgálhat a transzlációhoz. Előzetes érlelésük - feldolgozásuk - csak kivételes esetben szükséges.

A prokarióta génekkel ellentétben az eukarióta sejtek legtöbb génje nem folytonos, mivel nem informatív nukleotidszekvenciákat tartalmaznak - intronokat, amelyek nem vesznek részt az információ kódolásában. Ebben a tekintetben az RNS-polimeráz II által szintetizált elsődleges transzkriptumok mérete nagyobb a transzlációhoz szükségesnél, és kevésbé stabilak. Együtt alkotják az úgynevezett heterogén nukleáris RNS-t (tRNS), amely, mielőtt elhagyná a sejtmagot és elkezdene aktívan működni a citoplazmában, feldolgozódik és érett mRNS-sé alakul.

Eukarióta mRNS-ek feldolgozása. Az mRNS érése vagy feldolgozása magában foglalja az elsődleges transzkriptum módosítását és a nem kódoló intron régiók eltávolítását, majd a kódoló szekvenciák - exonok - összekapcsolását (splicing). Az eukarióta mRNS primer transzkriptumának módosítása nem sokkal azután kezdődik, hogy a purin bázisok (adenin vagy guanin) egyikét tartalmazó 5"-es végének szintézise megtörtént. Ezen a végén egy kupak képződik, amely blokkolja az mRNS 5"-es végét. a guanin transzkriptum első nukleotidjához 5"-5" kötést tartalmazó trifoszfonukleozid csatlakoztatása.

Gfff + fffAfN… → GfffAfN. + ff + ph Ennek eredményeként kialakul a GfffAfFM... szekvencia, amelyben a tuaninmaradék az mRNS többi nukleotidjához képest ellentétes orientációban van. Az mRNS 5"-os végének módosítása magában foglalja a hozzákapcsolt guanin és az elsődleges transzkriptum első két-három bázisának metilezését is (3.40. ábra). Az mRNS 5"-es végén kialakított sapkák biztosítják az mRNS-molekulák felismerését a citoplazmában található kis riboszómális részecske révén. A gyorsítótárazás még azelőtt is megtörténik, hogy az elsődleges átirat szintézise befejeződött.

Rizs. 40. Érett eukarióta mRNS képződése a feldolgozás során:

1 - nem kódoló szekvenciák, 2 - exonok, 3 - intronok, 4 - terminátor kodon

A transzkripció befejezése után az elsődleges transzkriptum 3" végén lévő nukleotidok egy részét eltávolítják, és hozzáadnak egy 100-200 adenilsav (poliA) oldalláncból álló szekvenciát (3.40. ábra). Úgy gondoljuk, hogy ez a szekvencia Elősegíti az érett mRNS további feldolgozását és transzportját a sejtmagból. Miután az mRNS a citoplazmába kerül, a poliA szekvenciája fokozatosan lerövidül olyan enzimek hatására, amelyek a 3"-os végén nukleotidokat hasítanak le. Így a poliA szekvencia hossza közvetetten meg tudja ítélni az mRNS tartózkodási idejét a citoplazmában. Lehetséges, hogy egy poliA szekvencia hozzáadása a feldolgozás során növeli az mRNS stabilitását. Az mRNS-ek körülbelül egyharmada azonban egyáltalán nem tartalmaz poliA régiót. Ide tartoznak például a hiszton mRNS-ek.

A kupak kialakulása az 5"-es végén és a poliA-szekvencia a 3"-os végén csak az RNS-polimeráz II által szintetizált RNS feldolgozására jellemző. A metiláció mellett a magasabb rendű eukarióták mRNS-ében a sapkák képződése során a belső nukleotidok kis részének metilációja megy végbe, körülbelül egy ezrelék mRNS-bázis gyakorisággal.

Az eukarióta mRNS módosítása mellett a feldolgozás magában foglalja azon intron régiók elsődleges transzkriptumainak eltávolítását, amelyek nem informatívak egy adott fehérje számára, és amelyek mérete 100-10 000 nukleotid vagy több között változik. Az intronok az összes hnRNS körülbelül 80%-át teszik ki. Az intronok eltávolítását, majd az exonikus régiók összekapcsolását splicingnek nevezzük (40. ábra).

A splicing egy olyan mechanizmus, amelynek biztosítania kell a szigorúan meghatározott intron régiók eltávolítását az elsődleges transzkriptumból. Ennek a folyamatnak a megszakítása a leolvasási keret eltolódásához vezethet a transzláció során, és képtelenné válik a normál peptid szintetizálására. Az intronkivágás szabályszerűségét láthatóan az biztosítja, hogy a végükön specifikus nukleotidszekvenciák jelennek meg, amelyek a splicing jeleiként szolgálnak.

Jelenleg számos elfogadható illesztési mechanizmust írtak le a folyamat pontosságának biztosítására. Talán egyes enzimek hatására érhető el, amelyek specifikusan felismerik az intronok terminális szakaszait, és katalizálják a foszfodiészter kötések felszakadását az exon-intron határon, majd kötések kialakulását két exon között.

Megállapították, hogy a fehérjékkel komplexeket (snRNP) alkotó speciális kis nukleáris RNS-ek (snRNS-ek) splicingben aktívan részt vesznek. Nyilvánvaló, hogy az snRNS-ek nukleotid szekvenciáikkal komplementer kölcsönhatásba lépnek az intronok terminális régióival, amelyek zárt hurkokat alkotnak. Az intronhurok szájánál az RNS hasítása a nem informatív szekvenciák eltávolításához és az exonok szomszédos végeinek összekapcsolásához (splicing) vezet.

Az RNS-transzkriptum splicing autokatalitikus képességét is tárgyalják. A leírt splicing módszerek arra utalnak, hogy ehhez a folyamathoz nincs univerzális mechanizmus, azonban minden esetben egy specifikus mRNS képződésével valósul meg az intronok pontos eltávolítása, amely biztosítja a sejt számára szükséges fehérje szintézisét.

Mára bebizonyosodott az alternatív (egymást kizáró) splicing lehetősége, melynek során ugyanabból a primer transzkriptumból különböző nukleotidszekvenciák távolíthatók el, és különböző érett mRNS-ek képződhetnek. Ennek eredményeként a DNS-nukleotidok ugyanazon szekvenciája információként szolgálhat különböző peptidek szintéziséhez. Az alternatív splicing valószínűleg nagyon gyakori az emlősök immunglobulin génrendszerében, ahol lehetővé teszi mRNS képződését különböző típusú antitestek szintéziséhez egy átirat alapján.

A feldolgozás során az RNS-transzkriptumban végbemenő átalakulások miatt az érett eukarióta mRNS-eket nagyobb stabilitás jellemzi a prokarióta mRNS-ekhez képest.

A feldolgozás befejeztével az érett mRNS szelekción megy keresztül, mielőtt a citoplazmába kerülne, ahol a hnRNS mindössze 5%-a köt ki. A többit a mag elhagyása nélkül hasítják.

Így az eukarióta gének elsődleges transzkriptumainak transzformációi, az exonitronikus szerveződésük és az mRNS-nek a sejtmagból a citoplazmába történő átmenetének szükségessége miatt, meghatározzák a genetikai információ megvalósításának jellemzőit egy eukarióta sejtben.

Fordítás pro- és eukariótákban. A prokarióta sejtekben a transzláció folyamata az mRNS szintéziséhez kapcsolódik: szinte egyidejűleg mennek végbe. Ez nagyrészt a bakteriális mRNS törékenységének köszönhető, amely meglehetősen gyorsan lebomlik. A transzkripció és a transzláció összekapcsolódása a baktériumokban e folyamatok sebességének konzisztenciájában nyilvánul meg. 37 °C-on a transzkripció 2500 nukleotid/perc (14 kodon/s), a transzláció pedig 15 aminosav/s sebességgel megy végbe.

A transzláció a prokariótákban röviddel az mRNS 5"-os végének kialakulása után, a szintézis befejeződése előtt megkezdődik. Ennek eredményeként az RNS polimerázt követően a riboszómák az mRNS mentén mozognak, végrehajtva a peptidláncok összeállítását (41. ábra). Valamivel a transzkripció megkezdése után (kb. 1 perc) és a templát 3"-os végének transzlációjának befejezése előtt megkezdődik az 5"-es végének lebomlása. Tekintettel arra, hogy a különböző mRNS-ek élettartama nem azonos, a különböző templátokon szintetizált fehérje mennyisége eltérő.

A prokarióták transzlációjának egyik jellemzője a módosított metionin, a formil-metionin beépítése a peptidláncba, mint első aminosav, amelyből minden újonnan szintetizált peptid kiindul. Még abban az esetben is, ha a startkodon szerepét a GUG kód látja el, amely normál körülmények között kódolja a valint, a formil-metionin a peptid első pozíciójában jelenik meg. Az AUG vagy GUG startkodon követi a vezető régiót, amelyet a riboszóma árnyékol a transzláció iniciálásakor.

A riboszóma és az mRNS kapcsolata az egyik rRNS nukleotidjainak és az mRNS vezetőjének nukleotidszekvenciájának komplementer kölcsönhatásából adódik.

Ez a szekvencia (Shaina-Dalgarno) az AUG kodontól 4-7 bázissal feljebb található, és mindenütt megtalálható a prokarióták vezető régióiban.

Amikor az mRNS 5"-os vége a riboszóma kis alegységéhez kapcsolódik, a startkodon általában a riboszóma által védett mRNS-fragmens majdnem közepén jelenik meg, a P-helyének megfelelő régióban.

Az eukariótákban a transzláció a citoplazmában történik, ahová az érett mRNS belép a sejtmagból. Az mRNS lemásolt végét a kis riboszomális alegység ismeri fel, majd a vezető szekvencia, amely legfeljebb 100 nukleotidot tartalmaz, kölcsönhatásba lép az rRNS-sel. Ebben az esetben a riboszóma befejezetlen P-szakaszában megjelenik az AUG startkodon. Miután a metionint hordozó aminoacil-tRNS a startkodonhoz kapcsolódik, a riboszóma két alegysége újra egyesül, és kialakul az A és P szakasz. Az eukarióta sejtekben a monocisztronos mRNS-en végrehajtott fehérjeszintézis azután fejeződik be, hogy a riboszóma áthalad a teljes mRNS-en, amíg fel nem ismeri a terminátor kodont, amely leállítja a peptidkötések kialakulását.

A fehérjék poszttranszlációs transzformációi. A transzláció során szintetizált peptidláncok elsődleges szerkezetük alapján másodlagos és harmadlagos, és sok - több peptidlánc által alkotott kvaterner szervezetet kapnak. A fehérjék által ellátott funkcióktól függően aminosavszekvenciáik különféle átalakulásokon eshetnek át, funkcionálisan aktív fehérjemolekulákat képezve.

Sok membránfehérjét preproteinként szintetizálnak, amelyek N-terminálisán egy vezető szekvenciával rendelkeznek, amely biztosítja a membrán felismerését. Ez a szekvencia lehasad az érlelés és a fehérje membránba való beépülése során. A szekréciós fehérjéknek van egy vezető szekvenciája is az N-terminálison, amely biztosítja a membránon keresztüli szállításukat. Egyes fehérjék közvetlenül a transzláció után további aminosav-proszekvenciákat hordoznak, amelyek meghatározzák az aktív fehérjék prekurzorainak stabilitását. Amikor a fehérje érik, eltávolítják őket, biztosítva az inaktív fehérje átalakulását aktív fehérjévé. Például az inzulint először preproinzulinként szintetizálják. A szekréció során az előszekvencia lehasad, majd a proinzulin olyan módosuláson megy keresztül, amelynek során a lánc egy része levál belőle, és érett inzulinná alakul.

41. ábra. Az mRNS transzkripciója, transzlációja és lebontása prokariótákban:

I - RNS polimeráz kötődik a DNS-hez és elkezdi szintetizálni az mRNS-t 5" → 3" irányban;

II - az RNS-polimeráz előrehaladtával riboszómák kapcsolódnak az mRNS 5"-os végéhez, megindul a fehérjeszintézis;

III - egy riboszómacsoport követi az RNS polimerázt, degradációja az mRNS 5" végén kezdődik;

IV - a lebomlási folyamat lassabb, mint a transzkripció és a transzláció;

V - a transzkripció befejezése után az mRNS megszabadul a DNS-től, a transzláció és a lebomlás folytatódik rajta az 5"-os végén

Azáltal, hogy a poszttranszlációs transzformációk során harmadlagos és kvaterner szervezeteket alakítanak ki, a fehérjék elnyerik az aktív működés képességét, beépülnek bizonyos sejtstruktúrákba, és enzimatikus és egyéb funkciókat látnak el.

A genetikai információ pro- és eukarióta sejtekben való megvalósításának figyelembe vett jellemzői e folyamatok alapvető hasonlóságát mutatják. Következésképpen a biológiai kóddal titkosított információ transzkripciójával és későbbi transzlációjával összefüggő génexpresszió mechanizmusa már azelőtt kialakult, hogy e kétféle sejtszerveződés kialakult volna. A pro- és eukarióták genomjának eltérő evolúciója eltérésekhez vezetett örökítőanyaguk szerveződésében, ami nem tudta, de befolyásolta annak expressziós mechanizmusait.

Az öröklődési és változékonysági anyag szerveződésével és működésével kapcsolatos ismereteink folyamatos bővítése meghatározza a génről, mint ennek az anyagnak a funkcionális egységéről alkotott elképzelések fejlődését.

G E N E T I C A

A genetika olyan tudomány, amely az öröklődés és a változékonyság mintázatait vizsgálja.

Átöröklés – minden élő szervezetnek az a tulajdonsága, hogy felépítésének és fejlődésének sajátosságait továbbadja leszármazottainak.

Változékonyság–az összes élő szervezet azon tulajdonsága, hogy megváltoztassa a szüleitől kapott örökletes információkat, valamint ezek megvalósításának folyamatát az egyedfejlődés során (ontogenezis). A változékonyság az öröklődés ellentéte.

Ez a két fogalom szorosan összefügg egymással.

A „genetika” kifejezést először 1906-ban W. Bateson angol tudós javasolta, de e tudomány fejlődésének története a távoli múltba nyúlik vissza.

A genetika fejlődésének teljes története négy szakaszra osztható:

Az öröklődés természetére vonatkozó spekulatív hipotézisek létezése.

Az öröklődés alaptörvényeinek felfedezése.

Az öröklődés tanulmányozása sejtszinten.

Az öröklődés vizsgálata molekuláris szinten.

Az örökítőanyag szerveződésének szerkezeti és funkcionális szintjei

A sejt és a szervezet egészének örökletes szerkezetében a genetikai anyag három szintje van: genetikai, kromoszómális És genomikus.

Génszint

Az örökítőanyag legkisebb (elemi) egysége a gén.

A gén egy DNS-molekula része, amelynek meghatározott nukleotidszekvenciája van, és az örökletes anyag működési egységét képviseli.

A gén egy szervezet egy adott tulajdonságáról vagy tulajdonságáról hordoz információt.

Egy embernek körülbelül 30 ezer génje van.

A gén szerkezetének megváltozása a megfelelő tulajdonság megváltozásához vezet. Következésképpen az egyéni öröklődés és a tulajdonságok egyéni variabilitása génszinten biztosított.

Kromoszóma szint

Egy sejtben minden gén csoportosítva van, és a kromoszómákon lineáris sorrendben elrendeződik. Minden kromoszóma egyedi a benne lévő génkészletben. A kromoszómák közé tartozik a DNS, fehérjék (hiszton és nem hiszton), RNS, poliszacharidok, lipidek és fémionok.

Az eukarióta sejtekben a kromoszómaszint határozza meg az egyes gének működésének jellegét, öröklődésének típusát és aktivitásuk szabályozását. Lehetővé teszi az örökletes információk természetes szaporodását és továbbítását a sejtosztódás során.

Genomikus szint

Genom – a haploid kromoszómakészletben található összes gén összessége. A megtermékenyítés során a szülői ivarsejtek két genomja összeolvad és genotípust alkot.

Genotípus – a diploid kromoszómakészletben vagy kariotípusban található összes gén összessége. A kariotípus a kromoszómák teljes halmaza, amelyet minden fajban szigorúan meghatározott számuk és szerkezetük jellemez.

A genomi szint rendkívül stabil. A génkölcsönhatások komplex rendszerét biztosítja. A gének egymással és környezeti tényezőkkel való kölcsönhatásának eredménye egy fenotípus.

Az öröklődés molekuláris alapja

A gén, mint az örökletes információ elemi egysége, bizonyos funkciókat lát el, és bizonyos tulajdonságokkal rendelkezik.

Gén funkciók:

örökletes információk tárolása;

a fehérje és más anyagok bioszintézisének szabályozása a sejtben;

a sejtek fejlődésének és öregedésének ellenőrzése.

A gén tulajdonságai:

diszkrétség: egy gén egy tulajdonságot szabályoz;

specifitás: minden gén szigorúan a saját tulajdonságáért felelős;

szerkezeti stabilitás: a gének nemzedékről nemzedékre adódnak át változás nélkül;

hatásdózis: egy gén meghatározza egy tulajdonság fenotípusos megnyilvánulásának egy dózisát;

mutáció képessége (szerkezet megváltoztatása);

replikációs képesség (önduplikáció);

a rekombinációs képesség (átmenet egyik homológ kromoszómáról a másikra).

A gének funkcionális osztályozása

Minden gén három csoportra osztható:

szerkezeti – megfelelő enzimek szintézisével szabályozni a tulajdonságok fejlődését;

szabályozó – szabályozza a szerkezeti gének aktivitását;

moduláló – a tünetek megnyilvánulásának folyamatát annak erősödése vagy gyengülése felé tolni, egészen a teljes blokkolásig.

A génszerkezet jellemzői

prokarióta és eukarióta sejtekben

A természetben a sejteket prokariótákra és eukariótákra osztják. A prokariótákban a gén folyamatos szerkezetű, azaz. egy DNS-molekula része.

Az eukariótákban egy gén váltakozó szakaszokból áll: exonok És intronok . Az exon informatív régió, az intron nem informatív. Az intronok száma génenként változó (1-től 50-ig).

Egy gén expressziója (a hatás megnyilvánulása) a fehérjeszintézis folyamatában

A fehérjeszintézis teljes folyamata három szakaszra oszlik: átírás,

feldolgozás és sugárzás.

Átírás

Átírás – a DNS-molekulából származó információk mRNS-be való átírásának folyamata. Szivárgás a magban.

A DNS-molekula két spirálisan csavart szálból áll. Mindegyik szálat nukleotidszekvencia képviseli, és mindegyik nukleotid egy szénhidrátból (pentóz), egy nitrogénbázisból és egy foszforsavból áll.

A DNS-molekula minden szálának két vége van: hidroxil (3) és foszfát (5). A szálak egymással ellentétes irányban helyezkednek el.

Az mRNS szintézise a sejtben mindig a foszfátvégtől a hidroxilvégig tart. Ezért a transzkripció mátrixa a DNS egyik szála, amely hidroxilvégével szemben áll a szintetizáló enzimmel; ez az úgynevezett kodogén, vagy tájékoztató (és a másik szál ennek megfelelően nem kodogén, vagy nem informatív).

Az átírás három szakaszra oszlik:

megindítás, inicializálás,

megnyúlás,

megszüntetése.

típus