Головна » Географія » ДНК та гени. Хімічна організація генетичного матеріалу

ДНК та гени. Хімічна організація генетичного матеріалу

По-перше, генетичний матеріал повинен мати здатність до самовідтворення, щоб в. процесі розмноження передаватиме спадкову інформацію, на основі якої здійснюватиметься формування нового покоління. По-друге, задля забезпечення стійкості показників серед поколінь спадковий матеріал повинен зберігати постійної свою організацію. По-третє, матеріал спадковості та мінливості повинен мати здатність набувати змін і відтворювати їх, забезпечуючи можливість історичного розвитку живої матерії в мінливих умовах. Тільки у разі відповідності зазначеним вимогам матеріальний субстрат спадковості та мінливості може забезпечити тривалість та безперервність існування живої природи та її еволюцію.

Сучасні уявлення про природу генетичного апарату дозволяють виділити три рівні його організації: генний, хромосомний та геномний. На кожному з них виявляються основні властивості матеріалу спадковості та мінливості та певні закономірності його передачі та функціонування.

Серед нуклеїнових кислот розрізняють два види сполук: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнову (РНК) кислоти. Вивчення складу основних носіїв спадкового матеріалу – хромосом – виявило, що їх найбільш хімічно стійким компонентом є ДНК, яка є субстратом спадковості та мінливості. Структура ДНК. Модель Дж. Вотсона та Ф. Крику

ДНК складаєтьсяз нуклеотидів, до складу яких входять цукор - дезоксирибоза, фосфат і одна з азотистих основ - пурин (аденін або гуанін) або піримідин (тимін або цитозин). Особливістю структурної організації ДНК є те, що її молекули включають два полінуклеотидні ланцюги, пов'язані між собою певним чином. Відповідно до тривимірної моделі ДНК, запропонованої в 1953 р. американським біофізиком Дж. Вотсоном і англійським біофізиком і генетиком Ф. Криком, ці ланцюги з'єднуються один з одним водневими зв'язками між їх азотистими основами за принципом комплементарності. Аденін одного ланцюга з'єднується двома водневими зв'язками з тиміном іншого ланцюга, а між гуаніном і цитозином різних ланцюгів утворюються три водневі зв'язки. Таке з'єднання азотистих основ забезпечує міцний зв'язок двох ланцюгів і збереження рівної відстані між ними протягом усього. Головна функція ДНК полягає в тому, що вона призначена для зберігання та передачі спадкової інформації в клітинах про- та еукаріотів. У вірусів цю функцію виконує РНК. Будова та структура ДНК. Властивості ДНК.

1. Стабільність. Вона забезпечується водневими, глікозидними та фосфодіефірними зв'язками, а також механізмом репарації спонтанних та індукованих ушкоджень;

2. Здатність до реплікації. Завдяки цьому механізму у соматичних клітинах зберігається диплоїдна кількість хромосом. Схематично перераховані особливості ДНК як генетичної молекули зображені на малюнку.

3. Наявність генетичного коду.Послідовність основ у ДНК за допомогою процесів транскрипції та трансляції перетворюється на послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюгу;
4. Здатність до генетичної рекомбінації. Завдяки цьому механізму утворюються нові поєднання зчеплених генів.

Репарація- особлива функція клітин, що полягає у здатності виправляти хімічні пошкодження та розриви в молекулах ДНК, пошкодженої при нормальному біосинтезі ДНК у клітині або внаслідок дії фізичних чи хімічних агентів. Здійснюється спеціальними ферментними системами клітини. Ряд спадкових хвороб (напр., пігментна ксеродерма) пов'язані з порушеннями систем репарації.

Реплікація ДНК- Процес синтезу дочірньої молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти на матриці батьківської молекули ДНК. У ході подальшого поділу материнської клітини кожна дочірня клітина отримує по одній копії молекули ДНК, яка є ідентичною ДНК вихідної материнської клітини. Цей процес забезпечує точну передачу генетичної інформації з покоління до покоління. Реплікацію ДНК здійснює складний ферментний комплекс, що складається з 15-20 різних білків, званий реплісомою

Генетичний код- це запис в унікальних ділянках молекули ДНК інформації про структуру білків та поліпептидів. Крик та його колеги припустили, що інформація має бути виражена через блоки – кодони. Вони припустили, що кодони повинні включати не менше трьох нуклеотидів. Чому? У природі виявлено 20 різних амінокислот, з яких комплектуються всі білки. Щоб зашифрувати 20 варіантів амінокислот, генетичний код повинен включити як мінімум 3 нуклеотиду, т.к. з двох нуклеотидів можна скомбінувати тільки 4 = 16 варіантів, а з трьох нуклеотидою - 43 = 64 варіанти. Повна розшифровка генетичного коду проведена в 60-х роках XX століття. Виявилося, що з 64 можливих варіантів триплетів 61 кодує різні амінокислоти, а 3 є безглуздими або STOP-кодонами: UAG, UAA, UGA кодонами, на яких припиняється зчитування спадкової інформації (рис. 4.6).

Властивості генетичного коду

1. Триплетність: кожен кодон включає 3 нуклеотиди ^

2. Універсальність: у всіх живих організмів, що існують на Землі, генетичний код однаковий, що свідчить про єдність походження всією живою. Кодон AGA кодує амінокислоту аргінін і у бактерій, і у людини, і всього живого.

3. Виродженість; 61 триплет на 20 амінокислот. Звідси випливає, деякі амінокислоти повинні шифруватися кількома триплетами. Це має дуже важливе значення, оскільки заміна нуклеотиду не завжди може призводити до заміни амінокислоти). Наприклад, амінокислоту валін кодують три триплети: GTT, GTC, GTA, GTG.

4. Специфічність: кожен триплет відповідає лише 1 амінокислоті: GTT - тільки валін. Кодон ATG є стартовим (метіонін).

5. Універсальність: у всіх живих організмів, що існують на Землі, генетичний код однаковий, що свідчить про єдність походження всього живого. Кодон AGA кодує амінокислоту аргінін і у бактерій, і у ялинки, і у всього живого.

6. ^ Безперервність і неперекриваність (зчитується без перепусток).

Матрична, чи інформаційна, РНК (мРНК, чи иРНК). Транскрипція. Для того щоб синтезувати білки із заданими властивостями, до місця їх побудови надходить «інструкція» про порядок включення амінокислот у пептидний ланцюг. Ця інструкція укладена в нуклеотидній послідовності матричних, або інформаційних РНК (мРНК, іРНК), що синтезуються на відповідних ділянках ДНК. Процес синтезу мРНК називають транскрипцією. Синтез мРНК починається з виявлення РНК-полімеразою особливої ділянки в молекулі ДНК, яка вказує на місце початку транскрипції - промотора. Після приєднання до промотору РНК-полімераза розкручує прилеглий виток спіралі ДНК. Два ланцюги ДНК у цьому місці розходяться, і на одній з них фермент здійснює синтез мРНК. Складання рибонуклеотидів у ланцюг відбувається з дотриманням їх комплементарності нуклеотидам ДНК, а також антипаралельно по відношенню до матричного ланцюга ДНК. У зв'язку з тим, що РНК-полімераза здатна збирати полінуклеотид лише від 5"-кінця до 3"-кінця, матрицею для транскрипції може служити тільки один з двох ланцюгів ДНК, а саме той, який звернений до ферменту своїм 3"-кінцем ( 3" → 5"). Такий ланцюг називають кодогенною антипаралельністю сполуки двох полінуклеотидних ланцюгів у молекулі ДНК дозволяє РНК-полімеразі правильно вибрати матрицю для синтезу мРНК.

Просуваючись уздовж кодогенного ланцюга ДНК, РНК-полімераза здійснює поступове точне переписування інформації доти, доки вона не зустрічає специфічну нуклеотидну послідовність - термінатор транскрипції. У цій ділянці РНК-полімераза відокремлюється як від матриці ДНК, так і від синтезованої мРНК (рис. 3.25). Фрагмент молекули ДНК, що включає промотор, послідовність, що транскрибується, і термінатор, утворює одиницю транскрипції - транскриптон.

У процесі синтезу, у міру просування РНК-полімерази вздовж молекули ДНК, пройдені нею одноланцюгові ділянки ДНК знову поєднуються в подвійну спіраль. МРНК, що утворюється в ході транскрипції, містить точну копію інформації, записаної у відповідній ділянці ДНК. Трійки нуклеотидів мРНК, що стоять поруч, шифрують амінокислоти, називають кодонами. Послідовність кодонів мРНК шифрує послідовність амінокислот у пептидному ланцюзі. Кодонам мРНК відповідають певні амінокислоти. ланцюга РНК у напрямку 5" → 3" шляхом приєднання рибонуклеозидгрифосфатів; IV - вивільнення 5"-кінця синтезованої РНК та відновлення подвійної спіралі ДНК; V - закінчення синтезу РНК в області термінатора, відокремлення полімерази від завершеного ланцюга РНК

^ Транспортна РНК (тРНК). Трансляція.Важлива роль процесі використання спадкової інформації клітиною належить транспортної РНК(тРНК). Доставляючи необхідні амінокислоти до місця складання пептидних ланцюгів, тРНК виконує функцію трансляційного посередника. Молекули тРНК є полінуклеотидними ланцюгами, що синтезуються на певних послідовностях ДНК. Вони складаються із відносно невеликої кількості нуклеотидів -75-95. В результаті комплементарного з'єднання основ, які знаходяться в різних ділянках полінуклеотидного ланцюга тРНК, вона набуває структури, що нагадує формою лист конюшини У ній виділяють чотири головні частини, що виконують різні функції. Акцепторне «стебло» утворюється двома комплементарно з'єднаними кінцевими частинами тРНК. Він складається із семи пар підстав. 3"-кінець цього стебла трохи довше і формує одноланцюговий ділянку, який закінчується послідовністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цього кінця приєднується амінокислота, що транспортується. Інші три гілки являють собою комплементарно спарені послідовності нуклеотидів, які закінчуються неспареними ділянками. цих гілок - антикодонова - складається з п'яти пар нуклеотидів і містить в центрі своєї петлі антикодон.Антикодон - це три нуклеотиди, комплементарні кодону мРНК, який шифрує амінокислоту, що транспортується даної тРНК до місця синтезу пептиду.

Між акцепторної та антикодонової гілками розташовуються дві бічні гілки. У своїх петлях вони містять модифіковані основи -дигідроурідін (D-петля) і триплет TψC, де - псевдоуріаїн (Т^С-петля). Між аитикодоновой і Т^С-гілками міститься додаткова петля, що включає від 3-5 до 13-21 нуклеотидів. В цілому різні види тРНК характеризуються певною сталістю нуклеотидної послідовності, яка найчастіше складається з 76 нуклеотидів. Варіювання їх числа пов'язане головним чином із зміною кількості нуклеотидів додаткової петлі. Комплементарні ділянки, що підтримують структуру тРНК, зазвичай консервативні. Первинна структура тРНК, яка визначається послідовністю нуклеотидів, формує вторинну структуру тРНК, що має форму листа конюшини. У свою чергу, вторинна структура зумовлює тривимірну третинну структуру, для якої характерне утворення двох перпендикулярно розташованих подвійних спіралей (рис. 3.27). Одна з них утворена акцепторною і ТС-гілками, інша -антикодонової та D-гілками.

На кінці однієї з подвійних спіралей розташовується амінокислота, що транспортується, на кінці іншої - антикодон. Ці ділянки виявляються максимально віддаленими одна від одної. Стабільність третинної структури тРНК підтримується завдяки виникненню додаткових водневих зв'язків між основами полінуклеотидного ланцюга, що знаходяться в різних його ділянках, але просторово зближених до третинної структури.

Різні види тРНК мають подібну третинну структуру, хоч і з деякими варіаціями.

^ I -вторинна структура тРНК у вигляді «конюшинного листа», що визначається її первинною структурою (послідовністю нуклеотидів у ланцюзі);

II – двовимірна проекція третинної структури тРНК;

III - схема укладання молекули тРНК у просторі

Однією з особливостей тРНК є наявність у ній незвичайних основ, що виникають внаслідок хімічної модифікації вже після включення нормальної основи полінуклеотидний ланцюг. Ці змінені підстави зумовлюють велике структурне різноманіття тРНК за загального плану їхньої будови. Найбільший інтерес представляють модифікації основ, що формують антикодон, які впливають на специфічність взаємодії з кодоном. Наприклад, нетипова основа інозин, що іноді стоїть в 1-му положенні антикодону тРНК, здатна комплементарно з'єднуватися з трьома різними третіми основами кодону мРНК - У, Ц та А (рис. 3.28). Так як однією з особливостей генетичного коду є його виродженість багато амінокислот шифруються кількома кодонами, які, як правило, відрізняються своєю третьою основою. Завдяки неспецифічності зв'язування модифікованої основи антикодону одна тРНК дізнається кілька кодонів-синонімів.

Встановлено також існування кількох видів тРНК, здатних з'єднуватися з тим самим кодоном. У результаті цитоплазмі клітин зустрічається не 61 (за кількістю кодонів), а близько 40 різних молекул тРНК. Цієї кількості достатньо, щоб транспортувати 20 різних амінокислот до місця збирання білка.

Поряд із функцією точного впізнавання певного кодону в мРНК молекула тРНК здійснює доставку до місця синтезу пептидного ланцюга строго певної амінокислоти, зашифрованої за допомогою даного кодону. Специфічне з'єднання тРНК зі «своєю» амінокислотою протікає в два етапи і призводить до утворення сполуки, званої аміноацил-тРНК. На першому етапі амінокислота активується, взаємодіючи своєю карбоксильною групою з АТФ. В результаті утворюється адепільована амінокислота. На другому етапі це з'єднання взаємодіє з ОН-групою, що знаходиться на 3"-кінці відповідної тРНК, і амінокислота приєднується до нього своєю карбоксильною групою, вивільняючи при цьому АМФ. Таким чином, цей процес протікає з витратою енергії, що отримується при гідролізі АТФ до АТФ Специфічність сполуки амінокислоти і тРНК, що несе відповідний антикодон, досягається завдяки властивостям ферменту аміноацил-тРНК-синтетази.У цитоплазмі існує цілий набір таких ферментів, які здатні до

просторовому впізнаванню, з одного боку, своєї амінокислоти, з другого - відповідного їй антикодону тРНКСпадкова інформація, «записана» в молекулах ДНК і «переписана» на мРНК, розшифровується в ході трансляції завдяки двом процесам специфічного впізнавання молекулярних поверхонь. Спочатку фермент аміноацил-тРНК-синтетазу забезпечує з'єднання тРНК з амінокислотою, що транспортується нею. Потім аміноацил-тРНК комплементарно спарується з мРНК завдяки взаємодії антикодону з кодоном. За допомогою системи тРНК мова нуклеотидного ланцюга мРНК. транслюється в мову амінокислотної послідовності пептиду рибосомної РНК (рРНК). Рибосомний цикл синтезу білка. Процес взаємодії мРНК і тРНК, що забезпечує трансляцію інформації з мови нуклеотидів на мову амінокислот, здійснюється на рибосомах. Останні є складними комплексами рРНК і різноманітних білків, в яких перші утворюють каркас. Рибосомні РНК є не лише структурним компонентом рибосом, а й забезпечують зв'язування їх із певною нуклеотидною послідовністю мРНК. Цим встановлюються початок та рамка зчитування при утворенні пептидного ланцюга. Крім того, вони забезпечують взаємодію рибосоми та тРНК. Численні білки, що входять до складу рибосом поряд з рРНК, виконують як структурну, так і ферментативну роль. Рибосоми про-і еукаріотів дуже подібні за структурою та функціями. Вони складаються з двох субчасток: великої та малої. У еукаріотів мала субчастиця утворена однією молекулою рРНК і 33 молекулами різних білків. Велика субчастка поєднує три молекули рРНК і близько 40 білків. Прокаріотичні рибосоми та рибосоми мітохондрій та пластид містять менше компонентів. У рибосомах є дві борозенки. Одна з них утримує поліпептидний ланцюг, інша - мРНК. Крім того, у рибосомах виділяють дві ділянки, що зв'язують тРНК. В аміноацильному, А-ділянці розміщується аміноацил-тРНК, яка несе певну амінокислоту. У пептидильному, П-ділянці розташовується зазвичай тРНК, яка навантажена ланцюжком амінокислот, з'єднаних пептидними зв'язками. У кожний момент рибосома екранує сегмент мРНК довжиною близько 30 нуклеотидів. При цьому забезпечується взаємодія лише двох тРНК з двома розташованими рядом кодонами мРНК Трансляція інформації на «мову» амінокислот виражається в поступовому нарощуванні пептидного ланцюга відповідно до інструкції, укладеної в мРНК. Цей процес протікає на рибосомах, які забезпечують послідовність розшифрування інформації з допомогою тРНК. У ході трансляції можна виділити три фази: ініціацію, елонгацію та термінацію синтезу пептидного ланцюга.

^ Фаза ініціації, або початок синтезу пептиду, полягає в об'єднанні двох субчастиць рибосоми, що знаходяться до цього порізно в цитоплазмі, на певній ділянці мРНК і приєднанні до неї першої аміноацил-тРНК. Цим задається також рамка зчитування інформації, укладеної в мРНК У молекулі будь-якої мРНК поблизу її 5 "-кінця є ділянка, комплементарний рРНК малої субчастиці рибосоми і специфічно впізнаваний нею. Поряд з ним розташовується ініціюючий стартовий кодон АУТ, що шифрує субіно з мРНК таким чином, що стартовий кодон АУТ розташовується в області, що відповідає П-ділянці, при цьому тільки ініціююча тРНК, що несе метіонін, здатна зайняти місце в недобудованій П-дільниці малої субчастки і комплементарно з'єднатися зі стартовим кодоном. та малої субчастинок рибосоми з утворенням її пептидильної та аміноацильної ділянок

^ I - з'єднання малої субгодини рибосоми з мРНК, приєднання до стартового кодону несучої метіонін тРНК, яка розташовується в недобудованому П-ділянці; II - з'єднання великої та малої субчастинок рибосоми з утворенням П- та А-ділянок; наступний етап пов'язаний з розміщенням в А-ділянці аміноацил-тРНК, що відповідає розташованому в ньому кодону мРНК-початок елонгації; ак - амінокислота До кінця фази ініціації П-ділянка зайнятий аміноацил-тРНК, пов'язаної з метіоніном, тоді як в А-ділянці рибосоми розташовується наступний за стартовим кодон. По завершенні фази ініціації та утворення комплексу рибосома - мРНК - ініціююча аміноацил-тРНК ці фактори відокремлюються від рибосоми. Фаза елонгації, або подовження пептиду, включає всі реакції від моменту утворення першого пептидного зв'язку до приєднання останньої амінокислоти. Вона являє собою циклічно повторювані події, при яких відбувається специфічне впізнавання аміноацил-тРНК чергового кодону, що знаходиться в ділянці А, комплементарна взаємодія між антикодоном і кодоном.

Завдяки особливостям тривимірної організації ТРНК. при з'єднанні її антикодону з кодоном мРНК. транспортована нею амінокислота розташовується в А-ділянці, поблизу раніше включеної амінокислоти, що знаходиться в П-ділянці. Між двома амінокислотами утворюється пептидна зв'язок, що каталізується особливими білками, що входять до складу рибосоми. В результаті попередня амінокислота втрачає зв'язок зі своєю тРНК і приєднується до аміноацил-тРНК, розташованої в ділянці. Переміщення тРНК, навантаженим пептидним ланцюжком, з А-ділянки в П-ділянку супроводжується просуванням рибосоми по мРНК на крок, відповідний одному кодону. Тепер наступний кодон приходить у контакт з А-дільницею, де його буде специфічно «пізнано» відповідною аміноацил-тРНК, яка розмістить тут свою амінокислоту. Така послідовність подій повторюється до тих пір, поки А-ділянка рибосоми не надійде кодон-термінатор, для якого не існує відповідної тРНК. Складання пептидного ланцюга здійснюється з досить великою швидкістю, що залежить від температури. У бактерій при 37 ° С вона виявляється у додаванні до підіпептиду від 12 до 17 амінокислот в 1 с. В еукаріотичних клітинах ця швидкість нижча і виявляється у додаванні двох амінокислот в 1 с.

^ Фаза термінації, або завершення синтезу поліпептиду, пов'язана із впізнанням специфічним рибосомним білком одного з термінуючих кодонів (УАА, УАГ або У ГА), коли той входить до зони А-ділянки рибосоми. При цьому до останньої амінокислоти в пептидному ланцюгу приєднується вода, і її карбоксильний кінець відокремлюється від тРНК. В результаті завершений пептидний ланцюг втрачає зв'язок з рибосомою, яка розпадається на дві субчастинки.

Спадковість мінливість. 1-2 закон Менделя

Безперервність існування та історичний розвиток живої природи обумовлені двома фундаментальними властивостями життя: спадковістю та мінливістю.

На клітинному та організмовому (онтогенетичному) рівнях організації живого під спадковістю розуміють властивість клітин або організмів у процесі самовідтворення передавати новому поколінню здатність до певного типу обміну речовин та індивідуального розвитку, у ході якого у них формуються загальні ознаки та властивості даного типу клітин та виду організмів, і навіть деякі індивідуальні особливості батьків. Тривале існування живої природи в часі на тлі змінних умов було б неможливим, якби живі системи не мали здатності до придбання та збереження деяких змін, корисних у нових умовах середовища. Властивість живих систем набувати змін і існувати в різних варіантах називається мінливістю.

У 60-х роках. ХІХ ст. основоположник генетики (науки про спадковість та мінливість) Г. Мендель (1865) висловив перші припущення про організацію спадкового матеріалу.З результатів своїх експериментів на гороху дійшов висновку, що спадковий матеріал дискретний, тобто. представлений окремими спадковими задатками, відповідальними за розвиток певних ознак організмів. За твердженням Менделя, у спадковому матеріалі організмів, що розмножуються статевим шляхом, розвиток окремої ознаки забезпечується парою алельних задатків, що прийшли зі статевими клітинами від обох батьків. При утворенні гамет у кожну з них потрапляє лише один із пари алельних задатків, тому гамети завжди чисті. У 1909 р. В. Йогансен назвав «спадкові задатки» Менделя генами.

Прояв у гібридів ознаки лише з батьків Мендель назвав домінуванням.

При схрещуванні організмів, що різняться по одній парі контрастних ознак, за які відповідають алелі одного гена, перше покоління гібридів однаково по фенотипу та генотипу. За фенотипом всі гібриди першого покоління характеризуються домінантною ознакою, за генотипом все перше покоління гібридів гетерозиготне

ДНК – складна органічна сполука, що є матеріальним носієм спадкової інформації. Є подвійним нерозгалуженим лінійним полімером, мономерами якого служать нуклеотид. Нуклеотид ДНК складається з азотистої основи, залишку фосфорної кислоти та вуглеводу дезоксирибози. Є 4 типи нуклеотидів, що розрізняються по азотистому підставі: аденіновий, до складу якого входить аденін, цитозиновий - цитозин, гуаніновий - гуанін, тиміновий - тимін. Азотиста основа однієї нитки ДНК пов'язана водневим містком з основою іншої, причому так, що пов'язаний з Т, а Г з Ц. Вони комплементарні один одному. Саме на цьому засновано властивість ДНК, яка пояснює її біологічну роль: здатність до самовідтворення, тобто. до авторепродукції. Авторепродукція молекул ДНК відбувається під впливом ферментів полімерази. При цьому комплементарні ланцюги молекул ДНК розкручуються та розходяться. Потім кожна їх починає синтезувати нову. Оскільки кожна з основ у нуклеотидах може приєднати інший нуклеотид тільки строго певної будови, відбувається точне відтворення материнської молекули.
Основна біологічна функція ДНК полягає у зберіганні, постійному самовідновленні та передачі генетичної інформації в клітині.
Генетичний код – це система розташування нуклеотидів у молекулі ДНК, що контролює послідовність розташування амінокислот у молекулі ДНК. Самі гени не беруть безпосередньої участі у синтезі білка. Посередником між геном та білком є іРНК. Ген є матрицею для побудови молекули іРНК. Кодування інформації має здійснюватися поєднанням кількох нуклеотидів. У різноманітті білків було виявлено 20 амінокислот. Для шифрування такого їх числа достатня кількість поєднань нуклеотидів може забезпечити лише триплетний код, в якому кожна амінокислота шифрується трьома нуклеотидами, що стоять поруч. У цьому випадку з 4 нуклеотидів утворюється 64 триплет. З 64 триплетів ДНК 61 кодує різні амінокислота, що залишилися 3 отримали назву безглуздих, або нонсенс-триплетів, вони виконують функцію розділових знаків. Послідовність триплетів визначає порядок розташування амінокислот у молекулі білка.
Властивості генетичного коду:
Виродженість. Вона в тому, що багато амінокислоти шифруються кількома триплетами.
Специфіка. Кожен триплет може кодувати лише одну певну амінокислоту.
Універсальність. Свідчить про єдність походження всього різноманіття живих форм Землі у процесі біологічної еволюції.
Поруч із цими властивостями найважливішими характеристиками генетичного коду є безперервність і незаперечність кодонів під час зчитування. Це означає, що послідовність нуклеотидів зчитується триплет за триплет без пропусків, при цьому сусідні триплет не перекривають один одного.

Дослідження, спрямовані на з'ясування хімічної природи спадкового матеріалу, незаперечно довели, що матеріальним субстратом спадковості та мінливості єнуклеїнові кислоти, які були виявлені Ф. Мішером (1868) у ядрах клітин гною. Нуклеїнові кислоти макромолекулами, тобто. відрізняються великою молекулярною масою. Це полімери, що складаються з мономерів - нуклеотидів,що включають три компоненти: цукор(пентозу), фосфаті азотна основа(Пурін або піримідин). До першого атома вуглецю в молекулі пентози С-1" приєднується азотна підстава (аденін, гуанін, цитозин, тимін або урацил), а до п'ятого атома вуглецю С-5" за допомогою ефірного зв'язку - фосфат; у третього атома вуглецю С-3" завжди є гідроксильна група - ВІН ( див. схему ).

З'єднання нуклеотидів у макромолекулу нуклеїнової кислоти відбувається шляхом взаємодії фосфату одного нуклеотиду з гідроксилом іншого так, що між ними встановлюється фосфодіефірний зв'язок(Рис. 3.2). В результаті утворюється полінуклеотидний ланцюг. Остов ланцюга складається з молекул фосфату і цукру, що чергуються. До молекул пентози в положенні С-1" приєднана одна з перерахованих вище азотистих основ (рис. 3.3).

Мал. 3.1. Схема будови нуклеотиду

Складання полінуклеотидного ланцюга здійснюється за участю ферменту полімерази, який забезпечує приєднання фосфатної групи наступного нуклеотиду до гідроксильної групи, що стоїть в положенні 3", попереднього нуклеотиду (рис. 3.3). Завдяки зазначеній специфіці дії названого ферменту нарощування , де знаходиться вільний гідроксил у положенні 3". Початок ланцюга завжди несе фосфатну групу в положенні 5". Це дозволяє виділити в ній 5" та 3" - кінці.

Серед нуклеїнових кислот розрізняють два види сполук: дезоксирибонуклеїнову(ДНК) та рибонуклеїнову(РНК)кислоти.Вивчення складу основних носіїв спадкового матеріалу – хромосом – виявило, що їх найбільш хімічно стійким компонентом є ДНК, яка є субстратом спадковості та мінливості.

Структура днк. Модель Дж. Вотсона та ф. Крику

ДНК складається з нуклеотидів, до складу яких входять цукор - дезоксирибоза, фосфат та одна з азотистих основ - пурин (аденін або гуанін) або піримідин (тимін або цитозин).

Особливістю структурної організації ДНК є те, що її молекули включають два полінуклеотидні ланцюги, пов'язані між собою певним чином. Відповідно до тривимірної моделі ДНК, запропонованої в 1953 р. американським біофізиком Дж. Вотсоном і англійським біофізиком і генетиком Ф. Криком, ці ланцюги з'єднуються один з одним водневими зв'язками між їх азотистими основами за принципом комплементарності. Аденін одного ланцюга з'єднується двома водневими зв'язками з тиміном іншого ланцюга, а між гуаніном і цитозином різних ланцюгів утворюються три водневі зв'язки. Таке з'єднання азотистих основ забезпечує міцний зв'язок двох ланцюгів і збереження рівної відстані між ними протягом усього.

Мал. 3.4. Схема будови молекули ДНК. Стрілками позначено антипаралельність ланцюгів

Іншою важливою особливістю поєднання двох полінуклеотидних ланцюгів у молекулі ДНК є їх антипаралельність: 5"-кінець одного ланцюга з'єднується з 3"-кінцем іншого, і навпаки (рис. 3.4).

p align="justify"> Дані рентгеноструктурного аналізу показали, що молекула ДНК, що складається з двох ланцюгів, утворює спіраль, закручену навколо власної осі. Діаметр спіралі становить 2 нм, довжина кроку – 3, 4 нм. Кожен виток входить 10 пар нуклеотидів.

Найчастіше подвійні спіралі є правозакрученими - під час руху вгору вздовж осі спіралі ланцюга повертаються праворуч. Більшість молекул ДНК у розчині знаходиться у правозакрученій – В-формі (В-ДНК). Однак зустрічаються також лівозакручені форми (Z-ДНК). Яка кількість цієї ДНК присутня в клітинах і як її біологічне значення, поки не встановлено (рис. 3.5).

Мал. 3.5. Просторові моделі лівоекрученої Z-форми ( I)

та правозакрученої В-форми ( II) ДНК

Таким чином, у структурній організації молекули ДНК можна виділити первинну структуру - полінуклеотидний ланцюг, вторинну структуру- два комплементарні один одному та антипаралельні полінуклеотидні ланцюги, з'єднані водневими зв'язками, та третинну структуру - тривимірну спіраль із наведеними вище просторовими характеристиками.

Однією з основних властивостей матеріалу спадковості є його здатність до самокопіювання. реплікація.Ця властивість забезпечується особливостями хімічної організації молекули ДНК, що складається із двох комплементарних ланцюгів. У процесі реплікації на кожному полінуклеотидному ланцюзі материнської молекули ДНК синтезується комплементарний їй ланцюг. У результаті однієї подвійний спіралі ДНК утворюються дві ідентичні подвійні спіралі. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить один материнський і один знову синтезований ланцюг, називають напівконсервативним(Див. рис. 2.12).

Для здійснення реплікації ланцюга материнської ДНК повинні бути відокремлені одна від одної, щоб стати матрицями, на яких синтезуватимуться комплементарні ланцюги дочірніх молекул.

Ініціація реплікації здійснюється в особливих ділянках ДНК, що позначаються ori (Від англ. Origin-початок). Вони включають послідовність, що складається з 300 нуклеотидних пар, відому специфічними білками. Подвійна спіраль ДНК у цих локусах поділяється на два ланцюги, при цьому, як правило, по обидва боки від точки початку реплікації утворюються області розбіжності полінуклеотидних ланцюгів. реплікаційні вилки,які рухаються в протилежних від локусу oriнапрямках. Між реплікаційними вилками утворюється структура, що називається реплікаційним оком,де на двох ланцюгах материнської ДНК утворюються нові полінуклеотидні ланцюги (рис 3.8, А).

Кінцевим результатом процесу реплікації є утворення двох молекул ДНК, нуклеотидна послідовність яких ідентична такої в подвійній материнській спіралі ДНК.

Реплікація ДНК у про- та еукаріотів в основних рисах протікає подібно, проте швидкість синтезу у еукаріотів (близько 100 нуклеотидів/с) на порядок нижче, ніж у прокаріотів (1000 нуклеотидів/с). Причиною цього може бути утворення ДНК еукаріотів досить міцних сполук з білками (див. гл 3.5.2.), що ускладнює її деспіралізацію, необхідну для здійснення реплікативного синтезу.

СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ

4.2 Властивості ДНК як речовини спадковості та мінливості

4.2.3. Зміни нуклеотидних послідовностей ДНК.

4.2.4 Елементарні одиниці мінливості генетичного матеріалу. Мутон. Рекон

4.2.6 Механізми, що знижують несприятливий ефект генних мутацій

4.3 Використання генетичної інформації у процесах життєдіяльності

4.3.2 Особливості організації та експресії генетичної інформації у про- та еукаріотів

1. Спадковість та мінливість – фундаментальні властивості живого

Життя як особливе явище характеризується тривалістю існування у часі (на Землі воно виникло понад 3,5 млрд. років тому), що забезпечується наступністю поколінь живих систем. Відбувається зміна поколінь клітин в організмі, зміна поколінь організмів у популяціях, зміна видів у системі біоценозу, зміна біоценозу, що утворює біосферу. В основі безперервного існування життя в часі лежить здатність живих систем до самовідтворення. Збереження життя в мінливих умовах виявляється можливим завдяки еволюції живих форм, в процесі якої у них з'являються зміни, що забезпечують пристосування до нового середовища проживання. Безперервність існування та історичний розвиток живої природи обумовлені двома фундаментальними властивостями життя: спадковістю та мінливістю.

У навчальних курсах властивості спадковості та мінливості традиційно розглядають щодо клітини та організму. Насправді вони виявляються і надорганізмових рівнях. На клітинному та організмовому (онтогенетичному) рівнях організації живого під спадковістю розуміють властивість клітин або організмів у процесі самовідтворення передавати новому поколінню здатність до певного типу обміну речовин та індивідуального розвитку, у ході якого у них формуються загальні ознаки та властивості даного типу клітин та виду організмів, і навіть деякі індивідуальні особливості батьків. На популяційно-видовому рівні організації життя спадковість проявляється у підтримці постійного співвідношення різних генетичних форм серед поколінь організмів даної популяції (виду). На біоценотичному рівні тривале існування біоценозу забезпечується збереженням певних співвідношень видів організмів, що утворюють цей біоценоз.

У результаті виникнення та розвитку життя Землі спадковість грала вирішальну роль, оскільки закріплювала серед поколінь біологічно корисні еволюційні придбання, забезпечуючи певний консерватизм організації живих систем. Спадковість одна із головних чинників еволюції.

Тривале існування живої природи в часі на тлі змінних умов було б неможливим, якби живі системи не мали здатності до придбання та збереження деяких змін, корисних у нових умовах середовища. Властивість живих систем набувати змін і існувати в різних варіантах називається мінливістю.

В окремих клітин та організмів одного виду мінливість, торкаючись їх індивідуального розвитку, проявляється у виникненні відмінностей між ними. На популяційно-видовому рівні організації життя ця властивість проявляється в наявності генетичних відмінностей між окремими популяціями виду, що є основою утворення нових видів. Поява нових видів вносить зміни до міжвидових взаємин у біоценозах. Мінливість у сенсі відбиває динамічність організації живих систем поряд із спадковістю є провідним чинником еволюції. Незважаючи на те, що за своїми результатами спадковість і мінливість різноспрямовані, в живій природі ці дві фундаментальні властивості утворюють нерозривну єдність, чим досягається одночасно збереження в процесі еволюції наявних біологічно доцільних якостей і виникнення нових, що уможливлюють існування життя в різноманітних умовах.

2. Історія формування уявлень про організацію матеріального субстрату спадковості та мінливості

Спадковість та мінливість як найважливіші властивості будь-якої живої системи забезпечуються функціонуванням особливого матеріального субстрату. У ході історичного розвитку біологічної науки уявлення про його властивості, організацію та хімічну природу постійно розширюються і ускладнюються.

У 60-х роках. ХІХ ст. основоположник генетики (науки про спадковість та мінливість) Г. Мендель (1865) висловив перші припущення про організацію спадкового матеріалу. З результатів своїх експериментів на гороху дійшов висновку, що спадковий матеріал дискретний, тобто. представлений окремими спадковими задатками, відповідальними за розвиток певних ознак організмів. За твердженням Менделя, у спадковому матеріалі організмів, що розмножуються статевим шляхом, розвиток окремої ознаки забезпечується парою алельних задатків, що прийшли зі статевими клітинами від обох батьків. При утворенні гамет у кожну з них потрапляє лише один із пари алельних задатків, тому гамети завжди "чисті". У 1909 р. в. Йогансен назвав "спадкові задатки" Менделя генами.

80-ті роки. ХІХ ст. ознаменувалися важливими досягненнями в галузі цитології: були описані мітоз і мейоз – розподіл відповідно до соматичних та статевих клітин, у ході яких закономірно між дочірніми клітинами розподіляються ядерні структури – хромосоми (В. Вольдейєр, 1888).

Дані про характер розподілу хромосом у процесі клітинного поділу дозволили на початку XX ст. Бовері (1902-1907) та У. Сетгону (1902-1903) зробити висновок про те, що наступність властивостей у ряді поколінь клітин та організмів визначається наступністю їх хромосом. Хромосоми почали розглядати, як матеріальні носії спадкової програми.

Подальша розробка хромосомної теорії спадковості, що поєднує уявлення про спадкові задатки та хромосоми, була здійснена на початку XX ст. Т. Морганом та його співробітниками. У дослідах, виконаних на дрозофілі, було підтверджено раніше висловлене припущення ролі хромосом у забезпеченні спадковості. Встановлено, що гени розміщуються в хромосомах, розташовуючись у них у лінійному порядку. Гени кожної хромосоми утворюють групу зчеплення, кількість яких визначається кількістю хромосом у статевих клітинах. Гени однієї групи зчеплення успадковуються, зазвичай, разом. Однак у ряді випадків відбувається їхня перекомбінація у зв'язку з кросинговером, частота якого залежить від відстані між генами.

Таким чином, у хромосомній теорії знайшов відображення один із найважливіших принципів генетики – єдність дискретності та безперервності спадкового матеріалу.

Слід зазначити, що у початку XX в. були виявлені факти, які доводили наявність у клітинах позахромосомного спадкового матеріалу, що розташовується у різних цитоплазматичних структурах та визначає особливу цитоплазматичну спадковість (К. Корренс, 1908).

Приблизно в цей же час X. де Фрізом (1901) були закладені основи вчення про мутаційну мінливість, пов'язану з змінами, що раптово виникають у спадкових задатках або хромосомах, що призводить до змін тих чи інших ознак організму. У наступні роки було виявлено мутагенну дію на хромосоми та гени рентгенівських променів, радіаційного випромінювання, певних хімічних речовин та біологічних агентів.

В результаті цих досліджень стало очевидним, що спадковість і мінливість обумовлені функціонуванням одного й того матеріального субстрату.

У перші десятиліття XX ст. були отримані дані, що свідчать на користь залежності стану ознак від характеру взаємодії генів, що виходило за межі відносин домінантності та рецесивності, описаних ще Менделем. Звідси з'явилося уявлення про генетичний апарат як про систему взаємодіючих генів - генотип, який зосереджений у хромосомному наборі - каріотип.

Вивчення хімічного складу хромосом виявило два основні види сполук, що утворюють ці структури, - білки та нуклеїнові кислоти. У першій половині XX ст. Дослідниками вирішувалося питання про хімічну природу субстрату спадковості та мінливості. Спочатку висловлювалися припущення на користь білків. 1928 р.Ф. Гріффітом був поставлений досвід на пневмококах, у якому спостерігалася зміна (трансформація) деяких спадкових властивостей одного бактеріального штаму під впливом матеріалу, отриманого із вбитих клітин іншого штаму. Хімічна природа речовини, що трансформує спадкові властивості бактерій, було встановлено лише 1944 р.о. Ейвері, які довели його приналежність до нуклеїнових кислот (ДНК).

Іншими доказами участі ДНК у забезпеченні спадковості та мінливості є:

1) сталість вмісту ДНК у всіх типах соматичних клітин організму;

2) відповідність вмісту ДНК плідності клітин (у соматичних клітинах її вдвічі більше, ніж у статевих, у поліплоїдних клітинах воно відповідає кількості наборів хромосом);

3) явище генетичної рекомбінації у бактерій при їх кон'югації, у ході якої здійснюється проникнення частини ДНК з однієї клітини до іншої та зміна властивостей останньої;

4) зміна спадкових властивостей бактеріальних клітин шляхом перенесення ДНК від одного штаму до іншого за допомогою ДНК-фагу – явище трансдукції;

5) інфікуюча активність ізольованої нуклеїнової кислоти вірусів.

Важливим результатом цілеспрямованого вивчення нуклеїнових кислот було створення Дж. Вотсоном та Ф. Криком (1953) просторової моделі молекули ДНК.

У другій половині XX ст. зусилля вчених спрямовані на вивчення властивостей нуклеїнових кислот, що становлять основу їх генетичних функцій, способів запису та зчитування спадкової інформації, характеру та структури генетичного коду, механізмів регуляції активності генів у процесі формування окремих ознак та фенотипу в цілому. У 60-х роках. роботами М. Ніренберга, С. Очоа, X. Корани та інших було здійснено повне розшифрування генетичного коду, встановлено відповідність триплетів нуклеотидів у молекулі нуклеїнових кислот певним амінокислотам. У 70-х роках. стали активно розроблятися методи генної інженерії, що дозволяють цілеспрямовано змінювати спадкові властивості живих організмів.

До кінця XX століття завдяки новим молекулярно-генетичним технологіям з'явилася можливість визначати послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК геномів різних організмів (прочитання ДНК-текстів). ДНК-тексти геному людини, представлені загалом 3 млрд. пар нуклеотидів, переважно прочитані до 2001 року. Науково-практичний напрямок молекулярної біології, що має на меті визначення нуклеотидних послідовностей молекул ДНК, отримав назву геноміки.

3. Загальні властивості генетичного матеріалу та рівні організації генетичного апарату

На підставі наведених вище визначень спадковості та мінливості можна припустити, яким вимогам має відповідати матеріальний субстрат цих двох властивостей життя.

4. Генний рівень організації генетичного апарату

Елементарною функціональною одиницею генетичного апарату, що визначає можливість розвитку окремої ознаки клітини або організму цього виду, є ген (спадковий завдаток, за Г. Менделем). Передачею генів у низці поколінь клітин чи організмів досягається матеріальна наступність - успадкування нащадками ознак батьків.

Під ознакою розуміють одиницю морфологічної, фізіологічної, біохімічної, імунологічної, клінічної та інших дискретності організмів (клітин), тобто. окрема якість чи властивість, яким вони відрізняються друг від друга.

Більшість перерахованих вище особливостей організмів чи клітин належить до категорії складних ознак, формування яких потребує синтезу багатьох речовин, насамперед білків зі специфічними властивостями - ферментів, імунопротеїнів, структурних, скорочувальних, транспортних та інших білків. Властивості білкової молекули визначаються амінокислотною послідовністю її поліпептидного ланцюга, яка прямо задається послідовністю нуклеотидів у ДНК відповідного гена і є елементарною, або простою ознакою.

Основні властивості гена як функціональної одиниці генетичного апарату визначаються його хімічною організацією,

4.1 Хімічна організація гена

Дослідження, спрямовані на з'ясування хімічної природи спадкового матеріалу, незаперечно довели, що матеріальним субстратом спадковості та мінливості є нуклеїнові кислоти, які були виявлені Ф. Мішером (1868) у ядрах клітин гною. Нуклеїнові кислоти макромолекулами, тобто. відрізняються великою молекулярною масою. Це полімери, що складаються з мономерів - нуклеотидів, що включають три компоненти: цукор (пентозу), фосфат та азотисту основу (пурін або піримідин). До першого атома вуглецю в молекулі пентози С-1" приєднується азотна підстава (аденін, гуанін, цитозин, тимін або урацил), а до п'ятого атома вуглецю С-5" за допомогою ефірного зв'язку - фосфат; у третього атома вуглецю С-3" завжди є гідроксильна група - ОН (рис.1).

З'єднання нуклеотидів у макромолекулу нуклеїнової кислоти відбувається шляхом взаємодії фосфату одного нуклеотиду з гідроксилом іншого так, що між ними встановлюється фосфодіефірний зв'язок (рис.2). В результаті утворюється полінуклеотидний ланцюг. Остов ланцюга складається з молекул фосфату і цукру, що чергуються. До молекул пентози в положенні С-1" приєднана одна з перерахованих вище азотистих основ (рис.3).

Рис.1. Схема будови нуклеотиду

Пояснення див. у тексті; позначення компонентів нуклеотиду, використані в цьому малюнку, зберігаються у всіх наступних схемах нуклеїнових кислот

Серед нуклеїнових кислот розрізняють два види сполук: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) та рибонуклеїнову (РНК) кислоти. Вивчення складу основних носіїв спадкового матеріалу – хромосом – виявило, що їх найбільш хімічно стійким компонентом є ДНК, яка є субстратом спадковості та мінливості.

4.1.1 Структура ДНК. Модель Дж. Вотсона та Ф. Крику

ДНК складається з нуклеотидів, до складу яких входять цукор - дезоксирибоза, фосфат та одна з азотистих основ - пурин (аденін або гуанін) або піримідин (тимін або цитозин). Особливістю структурної організації ДНК є те, що її молекули включають два полінуклеотидні ланцюги, пов'язані між собою певним чином. Відповідно до тривимірної моделі ДНК, запропонованої в 1953 р. американським біофізиком Дж. Вотсоном і англійським біофізиком і генетиком Ф. Криком, ці ланцюги з'єднуються один з одним водневими зв'язками між їх азотистими основами за принципом комплементарності. Аденін одного ланцюга з'єднується двома водневими зв'язками з тиміном іншого ланцюга, а між гуаніном і цитозином різних ланцюгів утворюються три водневі зв'язки. Таке з'єднання азотистих основ забезпечує міцний зв'язок двох ланцюгів і збереження рівної відстані між ними протягом усього.

Рис.4. Схема будови молекули ДНК. Стрілками позначена антиларальність цілей.

Найчастіше подвійні спіралі є правозакрученими - під час руху вгору вздовж осі спіралі ланцюга повертаються праворуч. Більшість молекул ДНК у розчині знаходиться у правозакрученій – В-формі (В-ДНК). Однак зустрічаються також лівозакручені форми (Z-ДНК). Яка кількість цієї ДНК присутня у клітинах і яке її біологічне значення, поки не встановлено (рис.3.5).

Рис.5. Просторові моделі лівозакрученої Z-форми (I) та правозакрученої В-форми (II) ДНК

Таким чином, у структурній організації молекули ДНК можна виділити первинну структуру - полінуклеотидний ланцюг, вторинну структуру-два комплементарні один одному та антипаралельні полінуклеотидні ланцюги, з'єднані водневими зв'язками, і третинну структуру - тривимірну спіраль із наведеними вище просторовими характеристиками.

4.1.2 Спосіб запису генетичної інформації у молекулі ДНК. Біологічний код та його властивості

Спочатку все різноманіття життя обумовлюється різноманітністю білкових молекул, що виконують у клітинах різні біологічні функції. Структура білків визначається набором та порядком розташування амінокислот у їх пептидних ланцюгах. Саме ця послідовність амінокислот у пептидах зашифрована у молекулах ДНК за допомогою біологічного (генетичного) коду. Відносна примітивність структури ДНК, що представляє чергування лише чотирьох різних нуклеотидів, довгий час заважала дослідникам розглядати це поєднання як матеріальний субстрат спадковості та мінливості, в якому має бути зашифрована надзвичайно різноманітна інформація.

У 1954 р.р. Гамовим було висловлено припущення, що кодування інформації в молекулах ДНК має здійснюватися поєднанням кількох нуклеотидів. У різноманітті білків, що у природі, було виявлено близько 20 різних амінокислот. Для шифрування такого їх числа достатня кількість поєднань нуклеотидів може забезпечити лише триплетний код, в якому кожна амінокислота шифрується трьома нуклеотидами, що стоять поруч. У цьому випадку з чотирьох нуклеотидів утворюється 43 = 64 триплети. Код, що складається з двох нуклеотидів, дав би можливість зашифрувати лише 4 2 = 16 різних амінокислот.

Повне розшифування генетичного коду проведено в 60-х роках. нашого сторіччя. З 64 можливих триплетів ДНК 61 кодує різні амінокислоти; 3, що залишилися, отримали назву безглуздих, або "нонсенс-триплетів". Вони не шифрують амінокислот і виконують функцію розділових знаків при зчитуванні спадкової інформації. До них належать АТТ, АЦТ, АТЦ.

Привертає увагу явна надмірність коду, що у тому, що багато амінокислоти шифруються кількома триплетами (Рис.6). Ця властивість триплетного коду, названа виродженістю, має дуже важливе значення, оскільки виникнення в структурі молекули ДНК змін за типом заміни одного нуклеотиду в полінуклеотидному ланцюзі може не змінити сенс триплету. Нове поєднання з трьох нуклеотидів, що виникло таким чином, кодує ту ж саму амінокислоту.

У процесі вивчення властивостей генетичного коду було виявлено його специфічність. Кожен триплет здатний кодувати лише одну певну амінокислоту. Цікавим фактом є повна відповідність коду у різних видів живих організмів. Така універсальність генетичного коду свідчить про єдність походження всього різноманіття живих форм Землі у процесі біологічної еволюції. Незначні відмінності генетичного коду виявлені у ДНК мітохондрій деяких видів. Це не суперечить загалом положенню про універсальність коду, але свідчить на користь певної дивергентності у його еволюції на ранніх етапах існування життя. Розшифрування коду в ДНК мітохондрій різних видів показало, що у всіх випадках в мітохондріальній ДНК відзначається загальна особливість: триплет АЦТ читається як АЦЦ, і тому з нонсенс-триплету перетворюється на шифр амінокислоти триптофану.

Рис.6. Амінокислоти та кодуючі їх триплети ДНК

Інші особливості специфічні для різних видів організмів. У дріжджів триплет ГАТ і, можливо, вся родина ГА кодує замість амінокислоти лейцину треонін. У ссавців триплет ТАГ має те значення, що й ТАЦ, і кодує амінокислоту метионин замість ізолейцину. Триплети ТЦГ та ТЦЦ у ДНК мітохондрій деяких видів не кодують амінокислот, будучи нонсенс-триплетами. Поряд із триплетністю, виродженістю, специфічністю та універсальністю найважливішими характеристиками генетичного коду є його безперервність та неперекриваність кодонів при зчитуванні. Це означає, що послідовність нуклеотидів зчитується триплет за триплетом без перепусток, причому сусідні триплети не перекривають одне одного, тобто. кожен окремий нуклеотид входить до складу лише одного триплету при заданій рамці зчитування (рис.3.7). Доказом неперекриття генетичного коду є заміна тільки однієї амінокислоти в пептиді при заміні одного нуклеотиду в ДНК. У разі включення нуклеотиду в кілька триплетів, що перекриваються, його заміна тягла б за собою заміну 2-3 амінокислот в пептидному ланцюгу.

Рис.7. Безперервність та незаперечність генетичного коду при зчитуванні спадкової інформації.

Цифрами позначені нуклеотиди

4.2 Властивості ДНК як речовини спадковості та мінливості

4.2.1 Самовідтворення спадкового матеріалу. Реплікація ДНК

Однією з основних властивостей матеріалу спадковості є його здатність до самокопіювання – реплікація. Ця властивість забезпечується особливостями хімічної організації молекули ДНК, що складається із двох комплементарних ланцюгів. У процесі реплікації на кожному полінуклеотидному ланцюзі материнської молекули ДНК синтезується комплементарний їй ланцюг. У результаті однієї подвійний спіралі ДНК утворюються дві ідентичні подвійні спіралі. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить один материнський і один знову синтезований ланцюг, називають напівконсервативним.

Ініціація реплікації здійснюється у спеціальних ділянках ДНК, що позначаються ori (від англ. origin - початок). Вони включають послідовність, що складається з 300 нуклеотидних пар, відому специфічними білками. Подвійна спіраль ДНК у цих локусах поділяється на два ланцюги, при цьому, як правило, по обидва боки від точки початку реплікації утворюються області розбіжності полінуклеотидних ланцюгів - реплікаційні виделки, які рухаються у протилежних від локусу або напрямках. Між реплікаційними вилками утворюється структура, яка називається реплікаційним оком, де на двох ланцюгах материнської ДНК утворюються нові полінуклеотидні ланцюги (рис 8, А).

За допомогою ферменту гелікази, що розриває водневі зв'язки, подвійна спіраль ДНК розплітається у точках початку реплікації. Одинарні ланцюги ДНК, що утворюються, зв'язуються спеціальними дестабілізуючими білками, які розтягують кістяки ланцюгів, роблячи їх азотисті підстави доступними для зв'язування з комплементарними нуклеотидами, що знаходяться в нуклеоплазмі. На кожному з ланцюгів, що утворюються в ділянці реплікаційної вилки, за участю ферменту ДНК-полімерази здійснюється синтез комплементарних ланцюгів (рис 8, Б).

Рис.8. Область початку реплікації. Вилка реплікаційна

А. Освіта реплікаційного вічка.

В. Область реплікаційної вилки в молекулі ДНК

У процесі синтезу реплікаційні виделки рухаються вздовж материнської спіралі в протилежних напрямках, захоплюючи нові зони.

Розподіл спірально закручених ланцюгів батьківської ДНК ферментом геліказою викликає появу супервитків перед реплікаційною вилкою. Це пояснюється тим, що при розбіжності кожних 10 пар нуклеотидів, що утворюють один виток спіралі, батьківська ДНК повинна зробити один повний оберт навколо своєї осі. Отже, для просування реплікаційної вилки вся молекула ДНК перед нею мала б швидко обертатися, що потребувало б великої витрати енергії. Насправді це не спостерігається завдяки особливому класу білків, які називаються ДНК-топоізомеразами. Топоізомераза розриває один з ланцюгів ДНК, що дає можливість обертатися навколо другого ланцюга. Це послаблює напругу, що накопичилася в подвійній спіралі ДНК (рис.9).

До водневих зв'язків, що вивільняються, нуклеотидних послідовностей розділених батьківських ланцюгів приєднуються вільні нуклеотиди з нуклеоплазми, де вони присутні у вигляді дезоксирибонуклеозидгрифосфатів: дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Комплементарний нуклеозидтрифосфат утворює водневі зв'язки з певною основою материнської ланцюга ДНК. Потім за участю ферменту ДНК-полімерази він зв'язується фосфодіефірним зв'язком з попереднім нуклеотидом знову синтезованого ланцюга, віддаючи при цьому неорганічний пірофосфат (рис.10).

Оскільки ДНК-полімераза приєднує черговий нуклеотид до ОН-групи в 3"-положенні попереднього нуклеотиду, ланцюг поступово подовжується на її 3"-кінці.

Особливістю ДНК-полімерази є її нездатність розпочати синтез нового полінуклеотидного ланцюга шляхом простого зв'язування двох нуклеозидтрифосфатів: необхідний 3"-ОН-кінець будь-якої полінуклеотидної ланцюга, спареної з матричним ланцюгом ДНК, до якої ДНК-полімераза може лише додавати нові нуклеотиди. -Леотидний ланцюг називають затравкою або праймером.

Роль затравки для синтезу полінуклеотидних ланцюгів ДНК у ході реплікації виконують короткі послідовності РНК, що утворюються за участю ферменту прайзи РНК (рис.11). Зазначена особливість ДНК-полімерази означає, що матрицею при реплікації може служити лише ланцюг ДНК, що несе спарену з нею затравку, яка має вільний 3"-ОН-кінець.

Рис.9. Розрив одного з ланцюгів ДНК за допомогою ферменту ДНК-топоізомерази: I - ДНК-топоізомераза утворює ковалентний зв'язок з однією з фосфатних груп ДНК (верхній ланцюг); II - в результаті розриву фосфодіефірного зв'язку в одному полінуклеотидному ланцюгу навколо відповідного їй зв'язку іншого ланцюга здійснюється обертання, яке знімає напругу, викликане розбіжністю двох ланцюгів ДНК в області вилки реплікації; III - після зняття напруги в спіралі ДНК відбувається спонтанне відділення ДНК-топоізомерази та відновлення фосфодіефірного зв'язку в ланцюгу ДНК

Здатність ДНК-полімерази здійснювати складання полінуклеотиду у напрямку від 5" - до 3" - кінця при антипаралельному з'єднанні двох ланцюгів ДНК означає, що процес реплікації повинен протікати на них по-різному. Справді, якщо на одній із матриць (3" → 5") складання нового ланцюга відбувається безперервно від 5" - до 3"-кінця і вона поступово подовжується на 3"-кінці, то інший ланцюг, що синтезується на матриці (5" → 3 "), мала б рости від 3" - до 5"-кінця. Це суперечить напрямку дії ферменту ДНК-полімерази.

Рис.10. Приєднання чергового нуклеотиду до дочірнього ланцюга ДНК, що синтезується за участю ДНК-полімерази: ФФ-пірофосфат

В даний час встановлено, що синтез другого ланцюга ДНК здійснюється короткими фрагментами (фрагменти Оказаки) також у напрямку від 5" - до 3"-кінцю (за типом шиття "назад голкою"). У прокаріотів фрагменти Оказаки містять від 1000 до 2000 нуклеотидів, у еукаріотів вони значно коротші (від 100 до 200 нуклеотидів). Синтезу кожного такого фрагмента передує утворення РНК затравки довжиною близько 10 нуклеотидів. Знову утворений фрагмент за допомогою ферменту ДНК-лігази з'єднується з попереднім фрагментом після видалення РНК-затравки (рис.12, А).

У зв'язку із зазначеними особливостями реплікаційна вилка є асиметричною. З двох дочірніх ланцюгів, що синтезуються, один будується безперервно, його синтез йде швидше і цей ланцюг називають лідируючим. Синтез іншого ланцюга йде повільніше, тому що він збирається з окремих фрагментів, що вимагають утворення, а потім видалення РНК-затравки. Тому такий ланцюг називають запізнюючим (відстаючим). Хоча окремі фрагменти утворюються у напрямку 5" → 3", загалом цей ланцюг зростає у напрямку 3" → 5" (рис.3.12, А). Через те, що від локусу ori зазвичай починаються дві реплікаційні виделки, що йдуть у протилежних напрямках, синтез лідируючих ланцюгів у них йде на різних ланцюгах материнської ДНК (рис 12, Б). Кінцевим результатом процесу реплікації є утворення двох молекул ДНК, нуклеотидна послідовність яких ідентична такої в подвійній материнській спіралі ДНК.

Рис.11. Схема реакції синтезу короткої РНК-затравки, що каталізується РНК-праймазою

Розглянута послідовність подій, що відбуваються в ході реплікативного синтезу, передбачає участь цілої системи ферментів: гелікази, топоізомерази, білків, що дестабілізують, ДНК-полімерази та інших, що спільно діють в області реплікаційної вилки (рис 13).

Реплікація ДНК у про- та еукаріотів в основних рисах протікає подібно, проте швидкість синтезу у еукаріотів (близько 100 нуклеотидів/с) на порядок нижче, ніж у прокаріотів (1000 нуклеотидів/с). Причиною цього може бути утворення ДНК еукаріотів досить міцних сполук з білками, що ускладнює її деспіралізацію, необхідну для здійснення реплікативного синтезу.

Фрагмент ДНК від точки початку реплікації до її закінчення утворює одиницю реплікації - реплікон. Якось розпочавшись у точці початку (локус on), реплікація триває до того часу, поки весь реплікон нічого очікувати дуплікований. Кільцеві молекули ДНК прокаріотичних клітин мають один локус on і являють собою цілком окремі реплікони. Еукаріотичні хромосоми містять велику кількість репліконів. У зв'язку з цим подвоєння молекули ДНК, розташованої вздовж еукаріотичної хромосоми, починається у кількох точках. У різних репліконах подвоєння може відбуватися у різний час або одночасно.

Мал. 12. Синтез двох дочірніх ланцюгів ДНК на різних ланцюгах материнської молекули

А. У зв'язку з антипаралельністю ланцюгів ДНК синтез дочірніх ланцюгів йде по-різному, на верхньому материнському ланцюзі дочірня мета синтезується безперервно-лідируючий ланцюг, на нижньому материнському ланцюзі дочірній ланцюг збирається з фрагментів Оказаки - ланцюг, що відстає.

Б. Синтез лідируючих ланцюгів у різноспрямованих вилках відбувається на різних ланцюгах материнської ДНК

4.2.2 Механізми збереження нуклеогідної послідовності ДНК. Хімічна стабільність. Реплікація. Репарація

Для підтримки головних характеристик клітини або організму протягом їх життя, а також у ряді поколінь спадковий матеріал повинен відрізнятися стійкістю до зовнішніх впливів або повинні існувати механізми корекції змін, що виникають у ньому. У живій природі використовуються обидва фактори. Третім фактором є точність копіювання нуклеотидних послідовностей материнської ДНК у процесі її реплікації.

Рис.13. Білки, що беруть участь у процесі реплікації ДНК

ДНК-геліказа розплітає подвійну спіраль ДНК, поділяючи її полінуклеотидні ланцюги; дестабілізуючі білки випрямляють ділянку ланцюга ДНК; ДНК-топоізомераза розриває фосфодіефірний зв'язок в одному з полівуглеотидних ланцюгів ДНК, знімаючи напругу, що викликається розплетенісим спіралі і розбіжністю ланцюгів в вилці реплікації; РНК-праймаза синтезує РНК-затравки для дочірнього ланцюга і кожного фрагмента Оказаки; ДНК-полімераза здійснює безперервний синтез лідируючого ланцюга та синтез фрагментів Оказаки відстаючого ланцюга; ДНК-лігаза зшиває фрагменти Оказаки після видалення РНК-затравки

За реакційною здатністю молекули ДНК належать до категорії хімічно інертних речовин. Відомо, що роль речовини спадковості може виконувати як ДНК, а й РНК (деякі віруси). Вважають, що вибір на користь ДНК обумовлений її нижчою порівняно з РНК реакційною здатністю.

Розглянутий вище механізм реплікації вирізняється надзвичайно високою точністю відтворення структури ДНК. При подвоєнні ДНК помилки виникають у середньому із частотою 1·10 -6 комплементарних пар основ.

У підтримці високої точності реплікації важлива роль належить передусім ферменту ДНК-полімеразі. Цей фермент здійснює відбір необхідних нуклеотидів з числа наявних в ядерному соку нуклеозидтрифосфатів (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), точне приєднання їх до матричного ланцюга ДНК і включення до дочірнього ланцюга, що росте. Частота включення неправильних нуклеотидів на цій стадії становить 1 10 -5 пар основ.

Такі помилки у роботі ДНК-полімерази пов'язані з виникненням змінених форм азотистих основ, які утворюють "незаконні" пари з основами материнської ланцюга. Наприклад, змінена форма цитозину замість гуаніну зв'язується водневими зв'язками з аденіном. В результаті в ланцюг ДНК, що росте, включається помилковий нуклеотид. Швидкий перехід зміненої форми такої основи у звичайну порушує його зв'язування з матрицею, з'являється неспарений 3"-ОН-кінець зростаючого ланцюга ДНК. У цій ситуації включається механізм самокорекції, що здійснюється ДНК-полімеразою (або тісно пов'язаним з нею ферментом - ендонуклеазою, що редагує). Самокорекція полягає у відщепленні помилково включеного в ланцюг ДНК нуклеотиду, не спареного з матрицею.Слідством самокорекції є зниження частоти помилок у 10 разів (з 10 -5 до 10 -6).

Незважаючи на ефективність самокорекції, під час реплікації після подвоєння ДНК у ній виявляються помилки. Особливо це спостерігається при порушенні концентрації чотирьох нуклеозидтрифосфатов в навколишньому субстраті. Значна частина змін виникає також у молекулах ДНК в результаті спонтанно відбуваються процесів, пов'язаних із втратою пуринових основ - аденіну та гуаніну (апуринізацією) - або дезамінування цитозину, який перетворюється на урацил. Частота останніх змін досягає 100 на 1 геном/добу.

Основи, що містяться в ДНК, можуть змінюватися під впливом реакційноздатних сполук, що порушують їх нормальне парування, а також під дією ультрафіолетового випромінювання, яке може викликати утворення ковалентного зв'язку між двома сусідніми залишками тиміну в ДНК (димери тиміну). Названі зміни у черговому циклі реплікації повинні призвести або до випадання пар основ у дочірній ДНК, або до заміни одних пар іншими. Зазначені зміни справді супроводжують кожен цикл реплікації ДНК, проте їх частота значно менша, ніж мала б бути. Це тим, що більшість змін такого роду усувається завдяки дії механізму репарації (молекулярного відновлення) вихідної нуклеотидної послідовності ДНК.

Механізм репарації ґрунтується на наявності в молекулі ДНК двох комплементарних ланцюгів. Спотворення послідовності нуклеотидів в одній з них виявляється специфічними ферментами. Потім відповідна ділянка видаляється та заміщається новим, синтезованим на другому комплементарному ланцюзі ДНК. Таку репарацію називають ексцизійною, тобто. з "вирізанням" (рис.15). Вона здійснюється до чергового циклу реплікації, тому її називають дореплікативною.

Рис.14. Схема процесу корекції при синтезі ДНК:

I-включення в ланцюг ДНК нуклеотиду із зміненою (таутомерною) формою цитоеїну, який "незаконно" спарується з аденіном; II – швидкий перехід цитозину у звичайну форму порушує його спарювання з аденіном; неспарений 3"-ОН-кінець синтезованого ланцюга перешкоджає подальшому її подовженню під дією ДНК-полімерази; III - ДНК-полімераза видаляє незаконний нуклеотид, в результаті чого знову з'являється спарений з матрицею 3 "-ОН-кінець; IV - ДНК-полімераза продовжує нарощування ланцюга на 3"-ВІН-кінці.

Відновлення вихідної структури ДНК потребує участі низки ферментів. Важливим моментом запуску механізму репарації є виявлення помилки в структурі ДНК. Нерідко такі помилки виникають у новоствореному синтезованому ланцюгу в процесі реплікації. Ферменти репарації повинні виявити саме цей ланцюг. У багатьох видів живих організмів знову синтезований ланцюг ДНК відрізняється від материнським ступенем метилювання її азотистих основ, що відстає від синтезу. Репарації при цьому неметильований ланцюг. Об'єктом впізнавання ферментами репарації можуть також служити розриви ланцюга ДНК. У вищих організмів, де синтез ДНК відбувається не безперервно, а окремими репліконами, знову синтезований ланцюг ДНК має розриви, що уможливлює її впізнавання. Відновлення структури ДНК при втраті пуринових основ одного з її ланцюгів передбачає виявлення дефекту за допомогою ферменту ендонуклеази, що розриває фосфоефірний зв'язок у місці пошкодження ланцюга. Потім змінена ділянка з кількома нуклеотидами, що примикають до неї, видаляється ферментом екзонуклеазою, а на його місці відповідно до порядку підстав комплементарного ланцюга утворюється правильна нуклеотидна послідовність (рис.15).

Рис.15. Схема ексцизійної, дореплікативної репарації ДНК.

При зміні однієї з основ у ланцюзі ДНК у відновленні вихідної структури беруть участь ферменти ДНК-глікозилази числом близько 20. Вони специфічно дізнаються про пошкодження, зумовлені дезамінуванням, алкілуванням та іншими структурними перетвореннями основ. Такі модифіковані підстави видаляються. Виникають ділянки, позбавлені підстав, які репаруються, як із втратою пуринів. Якщо відновлення нормальної структури не здійснюється, наприклад у разі дезамінування азотистих основ, відбувається заміна одних пар комплементарних основ іншими пара Ц-Г може замінюватися парою Т-А і т.п. .

Утворення в полінуклеотидних ланцюгах під дією УФ-променів тімінових димерів (Т-Т) вимагає участі ферментів, які впізнають не окремі змінені основи, а протяжні пошкодження структури ДНК. Репаративний процес у цьому випадку також пов'язаний з видаленням ділянки, що несе димер, та відновленням нормальної послідовності нуклеотидів шляхом синтезу на комплементарному ланцюзі ДНК.

У тому випадку, коли система ексцизійної репарації не виправляє зміни, що виникли в одному ланцюгу ДНК, в ході реплікації відбувається фіксація цієї зміни і стає надбанням обох ланцюгів ДНК. Це призводить до заміни однієї пари комплементарних нуклеотидів на іншу або до появи розривів (проломів) у знову синтезованому ланцюгу проти змінених ділянок. Відновлення нормальної структури ДНК може відбутися і після реплікації.

Постреплікативна репарація здійснюється шляхом рекомбінації (обміну фрагментами) між двома новоствореними подвійними спіралями ДНК. Прикладом такої постреплікативної репарації може бути відновлення нормальної структури ДНК при виникненні тімінових димерів (Т-Т), коли вони не усуваються спонтанно під дією видимого світла (світлова репарація) або в ході дореплікативної ексцизійної репарації.

Ковалентні зв'язки, що виникають між залишками тиміну, що стоять поруч, роблять їх не здатними до зв'язування з комплементарними нуклеотидами. У результаті знову синтезованої ланцюга ДНК виникають розриви (проломи), відомі ферментами репарації. Відновлення цілісності нового полінуклеотидного ланцюга однієї з дочірніх ДНК здійснюється завдяки рекомбінації з відповідним їй нормальним материнським ланцюгом іншої дочірньої ДНК. Пробіл, що утворився в материнському ланцюгу, заповнюється потім шляхом синтезу на комплементарному їй полінуклеотидному ланцюгу (рис.16). Проявом такої постреплікативної репарації, що здійснюється шляхом рекомбінації між ланцюгами двох дочірніх молекул ДНК, можна вважати обмін матеріалом між сестринськими хроматидами, що нерідко спостерігається (рис.17).

Рис.16. Схема постреплікативної репарації ДНК:

I - виникнення тімінового димеру в одному з ланцюгів ДНК;

II - утворення "пролому" у знову синтезованому ланцюгу проти зміненої ділянки материнської молекули після реплікації (стрілкою показано наступне заповнення "пролому" ділянкою з відповідного ланцюга другої дочірньої молекули ДНК);

III - відновлення цілісності дочірнього ланцюга верхньої молекули за рахунок рекомбінації та в нижній молекулі за рахунок синтезу на комплементарному ланцюзі

Рис.17. Міжхроматидні обміни (зазначені стрілками)

У ході дореплікативної та постреплікативної репарації відновлюється більшість пошкоджень структури ДНК. Однак, якщо в спадковому матеріалі клітини виникає занадто багато пошкоджень і частина з них не ліквідується, включається система індукованих ферментів репарації (SOS-система). Ці ферменти заповнюють проломи, відновлюючи цілісність полінуклеотидних ланцюгів, що синтезуються, без точного дотримання принципу комплементарності. Ось чому іноді самі процеси репарації можуть бути джерелом стійких змін у структурі ДНК (мутацій). Названа реакція відноситься до SOS-системі.

Якщо в клітині, незважаючи на репарацію, кількість пошкоджень структури ДНК залишається високою, в ній блокуються процеси реплікації ДНК. Така клітина не ділиться, а значить, не передає змін потомства, що виникли.

Зупинка клітинного циклу, що викликається пошкодженнями ДНК, у поєднанні з неможливістю молекулярної репарації зміненого спадкового матеріалу може за участю білка, синтез якого контролюється геном р53, призводити до активації процесу самоліквідації (апотпоз) дефектної клітини з метою усунення її з організму.

Таким чином, великий набір різних ферментів репарації здійснює безперервний огляд ДНК, видаляючи з неї пошкоджені ділянки і сприяючи підтримці стабільності спадкового матеріалу. Спільна дія ферментів реплікації (ДНК-полімераза і ендонуклеаза, що редагує) і ферментів репарації забезпечує досить низьку частоту помилок у молекулах ДНК, яка підтримується на рівні 1 · 10 -9 пар змінених нуклеотидів на геном. При розмірі геному людини 3 · 10 9 нуклеотидних пар це означає появу близько 3 помилок на геном, що реплікується. Водночас, навіть цей рівень достатній для освіти за час існування життя на Землі значного генетичного розмаїття у вигляді генних мутацій.

4.2.3 Зміни нуклеотидних послідовностей ДНК.

Нескориговані зміни хімічної структури генів, що відтворюються в послідовних циклах реплікації і проявляються у потомства у вигляді нових варіантів ознак, називають генними мутаціями.

Зміни структури ДНК, що утворює ген, можна поділити на три групи. Мутації першої групи полягають у заміні одних підстав іншими. Вони становлять близько 20% генних змін, що спонтанно виникають. Друга група мутацій обумовлена зсувом рамки зчитування, що відбувається за зміни кількості нуклеотидних пар у складі гена. Нарешті, третю групу являють собою мутації, пов'язані зі зміною порядку нуклеотидних послідовностей у межах гена (інверсії).

Мутації на кшталт заміни азотистих основ. Ці мутації відбуваються з низки конкретних причин. Однією з них може бути випадково або під впливом конкретних хімічних агентів зміна структури основи, вже включеної в спіраль ДНК. Якщо така змінена форма основи залишається не поміченою ферментами репарації, то при найближчому циклі реплікації вона може приєднувати інший нуклеотид. Прикладом може бути дезамінування цитозину, що перетворюється на урацил мимоволі або під впливом азотистої кислоти (рис.18). Урацил, що утворюється при цьому, не помічений ферментом ДНК-глікозилазою, при реплікації з'єднується з аденіном, який згодом приєднує тимідиловий нуклеотид. В результаті пара Ц-Г заміщається в ДНК парою Т-А (рис. 19, I). Дезамінування метильованого цитозину перетворює його на тімін (див. рис.3.18). Тіміділовий нуклеотид, будучи природним компонентом ДНК, не виявляється ферментами репарації як зміна і при наступній реплікації приєднує аденіловий нуклеотид. В результаті замість пари Ц-Г у молекулі ДНК також з'являється пара Т-А (рис. 19, ІІ).

Рис.18. Спонтанне дезамінування цитозину

Іншою причиною заміни основ може бути помилкове включення до синтезованого ланцюга ДНК нуклеотиду, що несе хімічно змінену форму основи або його аналог. Якщо ця помилка залишається не поміченою ферментами реплікації та репарації, змінена основа входить у процес реплікації, що нерідко призводить до заміни однієї пари на іншу. Прикладом цього може бути приєднання в ході реплікації до аденіну материнського ланцюга нуклеотиду з 5-бромурацилом (5-БО), аналогічного тимідиловому нуклеотиду. При подальшій реплікації 5-БО охочіше приєднує не аденін, а гуанін. Гуанін у ході подальшого подвоєння утворює комплементарну пару з цитозином. У результаті пара А-Т замінюється на молекулі ДНК парою Г-Ц (рис. 20).

Мал. 19. Мутації за типом заміни основи (дезамінування азотистих основ у ланцюзі ДНК):

I - перетворення цитозину на урацил, заміна Ц-Г-пари на Т-А-пару;

II - перетворення метил-цитозину на тімін, заміна Ц-Г-пари на Т-А-пару

З наведених прикладів видно, що зміни структури молекули ДНК за типом заміни основ виникають або до, або в процесі реплікації спочатку одного полінуклеотидного ланцюга. Якщо такі зміни не виправляються під час репарації, то за наступної реплікації вони стають надбанням обох ланцюгів ДНК.

Мал. 20. Мутації за типом заміни основ (включення аналога азотистої основи при реплікації ДНК)

Наслідком заміни однієї пари комплементарних нуклеотидів на іншу є утворення нового триплету в нуклеотидній послідовності ДНК, що кодує послідовність амінокислот у пептидному ланцюзі. Це може й позначитися структурі пептиду у разі, якщо новий триплет буде " синонімом " колишнього, тобто. кодуватиме ту ж амінокислоту. Наприклад, амінокислота валін шифрується чотирма триплетами: ЦАА, ЦАГ, ЦАТ, ЦАЦ. Заміна третьої основи в будь-якому з цих триплетів не змінить його сенсу (виродженість генетичного коду).

У тому випадку, коли триплет, що знову виник, шифрує іншу амінокислоту, змінюються структура пептидного ланцюга і властивості відповідного білка. Залежно від характеру і місця заміни, що відбулася, специфічні властивості білка змінюються різною мірою. Відомі випадки, коли заміна лише однієї амінокислоти в пептиді істотно впливає на властивості білка, що проявляється у зміні складніших ознак. Прикладом може бути зміна властивостей гемоглобіну людини при серповидно-клітинній анемії (рис.21). У такому гемоглобіні (HbS) (на відміну від нормального НbА) - в р-глобінових ланцюгах в шостому положенні глутамінова кислота замінена валіном. Це є наслідком заміни однієї з основ у триплеті, що шифрує глутамінову кислоту (ЦТТ або ЦТЦ). Через війну з'являється триплет, шифруючий валін (ЦАТ чи ЦАЦ). У цьому випадку заміна однієї амінокислоти в пептиді суттєво змінює властивості глобіну, що входить до складу гемоглобіну (знижується його здатність зв'язуватися з 02), у людини розвиваються ознаки серповидно-клітинної анемії.

У деяких випадках заміна однієї основи на іншу може призвести до появи одного з нонсенс-триплетів (АТТ, АТЦ, АЦТ), який не шифрує жодної амінокислоти. Наслідком такої заміни буде переривання синтезу пептидного ланцюга. Підраховано, що заміни нуклеотидів в одному триплеті призводять у 25% випадків до утворення триплетів-синонімів; у 2-3 - безглуздих триплетів, у 70 - 75% - до виникнення справжніх генних мутацій.

Таким чином, мутації за типом заміни основ можуть виникати як в результаті спонтанних змін структури основи в одному з ланцюгів вже існуючої подвійної спіралі ДНК, так і в ході реплікації у ланцюгу, що знову синтезується. У тому випадку, якщо ці зміни не виправляються в процесі репарації (або, навпаки, виникають у ході репарації), вони фіксуються в обох ланцюгах і відтворюватимуться далі в наступних циклах реплікації. Отже, важливим джерелом виникнення таких мутацій є порушення реплікації та репарації.

Мутації із зсувом рамки зчитування. Цей тип мутацій становить значну частку спонтанних мутацій. Вони відбуваються внаслідок випадання чи вставки в нуклеотидну послідовність ДНК однієї чи кількох пар комплементарних нуклеотидів. Більшість вивчених мутацій, що викликають зсув рамки, виявлено в послідовностях, що складаються з однакових нуклеотидів.

Зміни числа нуклеотидних пар у ланцюзі ДНК сприяють впливу на генетичний матеріал деяких хімічних речовин, наприклад, акридинових сполук. Деформуючи структуру подвійної спіралі ДНК, вони призводять до вставки додаткових підстав або їхнього випадання при реплікації. Прикладом є мутації, отримані у фага Т4 при впливі профлавіну. Вони полягають у включенні чи видаленні всього однієї нуклеотидної пари. Важливою причиною зміни кількості нуклеотидних пар у гені на кшталт великих поділів (випадень) може бути рентгенівське опромінення. У плодової мухи, наприклад, відома мутація гена, що контролює забарвлення ока, яка викликається опроміненням і полягає в розподілі близько 100 нуклеотидних пар.

Рис.21. Плейотропний ефект заміни однієї амінокислоти в β-ланцюзі гемоглобіну людини, що призводить до розвитку серповидно-клітинної анемії.

Велика кількість мутацій за типом вставок відбувається внаслідок включення до послідовності нуклеотидів рухливих генетичних елементів - транспозонів. Транспозони - це досить протяжні нуклеотидні послідовності, вбудовані в геноми еу - і прокаріотів, здатні мимоволі змінювати своє положення. З певною ймовірністю вставки та поділу можуть виникати внаслідок помилок рекомбінації при нерівноцінному внутрішньогенному кросинговері (рис.22).

Рис.22. Мутації зі зсувом рамки зчитування (нерівноцінний обмін при внутрішньогенному кросинговері):

I - розриви алельпих генів у різних ділянках та обмін фрагментами між ними;

II - випадання 3-ї та 4-ї пар нуклеотидів, зсув рамки зчитування;

III - подвоєння 3-ї та 4-ї пар нуклеотидів, зсув рамки зчитування

Рис.23. Наслідок зміни кількості нуклеотидних пар у молекулі ДНК

Зсув рамки зчитування в результаті вставки одного нуклеотиду в кодогенний ланцюг призводить до зміни складу зашифрованого пептиду в ній.

При безперервності зчитування та неперекривності генетичного коду зміна кількості нуклеотидів, як правило, призводить до зсуву рамки зчитування та зміни сенсу біологічної інформації, записаної в даній послідовності ДНК (рис.23). Однак, якщо кількість вставлених або втрачених нуклеотидів кратно трьом, зсуву рамки може не відбутися, але це призведе до включення додаткових амінокислот або випадання їх частини з поліпептидного ланцюга. Можливим наслідком зсуву рамки є виникнення нонсенстриплетів, що веде до синтезу укорочених пептидних ланцюгів.

Мутації на кшталт інверсії нуклеотидних послідовностей в гені. Цей тип мутацій відбувається внаслідок повороту ділянки ДНК на 180°. Зазвичай цьому передує утворення молекулою ДНК петлі, у межах якої реплікація йде у напрямку, зворотному до правильного.

У межах інвертованої ділянки порушується зчитування інформації, внаслідок чого змінюється амінокислотна послідовність білка.

4.2.4 Елементарні одиниці мінливості генетичного матеріалу. Мутон. Рекон

Ген є елементарною одиницею функції спадкового матеріалу. Це означає, що фрагмент молекули ДНК, що відповідає окремому гену і визначає завдяки біологічній інформації, що міститься в ньому, можливість розвитку конкретної ознаки, є далі неподільним у функціональному відношенні. Відомості про генні мутації, викладені вище, вказують на значення змін хімічної структури, що зачіпають не весь ген, а окремі його ділянки, внаслідок чого з'являються нові варіанти ознаки.

Мінімальна кількість спадкового матеріалу, здатна, змінюючись, призводити до появи варіантів ознаки, відповідає елементарній одиниці мутаційного процесу і називається мутоном. Розглянуті вище приклади генних мутацій свідчать про те, що достатньо замінити одну пару комплементарних основ у гені, щоб змінилися властивості білка, що кодується ним. Таким чином, мутон відповідає одній парі комплементарних нуклеотидів.

Частина генних мутацій на кшталт вставок і випадань нуклеотидних пар відбувається внаслідок нерівноцінного обміну між молекулами ДНК при кросинговері, тобто. у разі порушення рекомбінації між ними. Це супроводжується зсувом рамки зчитування та призводить до порушення синтезу пептидного ланцюга із заданими властивостями. Спостереження показують, що з спотворення записаної у гені біологічної інформації достатньо вставки чи випадання однієї пари нуклеотидів. Зі сказаного випливає, що елементарна одиниця рекомбінації - рекон - на молекулярному рівні відповідає одній парі нуклеотидів.

Виникаючі мимоволі або під впливом різних зовнішніх впливів зміни нуклеотидних послідовностей призводять до того, що один і той же ген може існувати в декількох варіантах, що відрізняються за біологічною інформацією, що міститься в них. Конкретну форму існування гена, визначальну можливість розвитку конкретного варіанта цієї ознаки, називають аллелем. Алелі гена розташовуються в тому самому ділянці-локусі-певної хромосоми, яка в нормі може одночасно містити лише один із серії алелів. Це робить алелі альтернативними (взаємовиключними) варіантами існування гена.

Зміни хімічної структури можуть бути різних ділянках гена. Якщо вони сумісні із життям, тобто. не призводять до загибелі клітин чи організмів - носіїв даних мутацій, вони зберігаються у генофонді виду.

Присутність у генофонді виду одночасно різних алелей гена називають множинним алелізмом. Приклад цього служать різні варіанти забарвлення очей у плодової мухи: біла, вишнева, червона, абрикосова, еозинова, - обумовлені різними алелями відповідного гена. У людини, як і в інших представників органічного світу, множинний алелізм властивий багатьом генам. Так, три алелі гена I визначають групову належність крові за системою АВ0 (I A , I B , I 0). Два алелі має ген, що зумовлює резус-приналежність. Більше ста алелей налічують гени α- та β-поліпептидів гемоглобіну.

Причиною множинного алелізму є випадкові зміни структури гена (мутації), що зберігаються у процесі природного відбору генофонду популяції. Різноманітність алелей, що рекомбінуються при статевому розмноженні, визначає ступінь генотипного розмаїття серед представників даного виду, що має велике еволюційне значення, підвищуючи життєздатність популяцій у умовах їх існування. Крім еволюційного та екологічного значення алельний стан генів дуже впливає на функціонування генетичного матеріалу. У диплоїдних соматичних клітинах еукаріотів більшість генів представлено двома алелями, які спільно впливають на формування ознак.

4.2.5 Функціональна класифікація генних мутацій

Зміни структури гена, як правило, є несприятливими, знижуючи життєздатність клітини, організму (шкідливі мутації) і іноді призводять до їх загибелі (летальні мутації). Рідше мутації, що виникають, істотно не відбиваються на життєздатності їх носіїв, тому їх розглядають як нейтральні. Нарешті, вкрай рідко виникають алелі, що сприятливо діють (корисні мутації), забезпечуючи їх носіям переважне виживання. Найчастіше новостворений аллель гена постає як рецесивний стосовно поширеному у природі алелю " дикого " типу, тобто. не проявляється у поєднанні з ним. Але іноді мутантна форма гена то, можливо домінантної, тобто. пригнічувати прояв "дикого" алелю, який найчастіше зустрічається у генофонді популяції.

4.2.6 Механізми, що знижують несприятливий ефект генних мутацій

Внаслідок генних мутацій змінюється сенс біологічної інформації. Наслідки цього може бути двоякого роду. В умовах існування, що змінюються незначно, нова інформація зазвичай знижує виживання. За різкої зміни умов існування, при освоєнні нової екологічної ніші наявність різноманітної інформації корисна. У зв'язку з цим інтенсивність мутаційного процесу у природних умовах підтримується лише на рівні, який викликає катастрофічного зниження життєздатності виду. Важлива роль обмеження несприятливих наслідків мутацій належить антимутаційним механізмам, що виникли в еволюції.

Деякі з цих механізмів розглянуті вище. Йдеться про особливості функціонування ДНК-полімерази, що відбирає необхідні нуклеотиди в процесі реплікації ДНК, а також здійснює самокорекцію при утворенні нового ланцюга ДНК поряд з ендонуклеазою, що редагує. Докладно розібрано різні механізми репарації структури ДНК, роль виродженості генетичного коду. Розв'язанням цього завдання є триплетність біологічного коду, яка допускає мінімальну кількість замін усередині триплету, що ведуть до спотворення інформації. Так, 64% замін третього нуклеотиду в триплетах не дає зміни їх смислового значення. Щоправда, заміни другого нуклеотиду у 100% призводять до спотворення сенсу триплету.

Фактором захисту проти несприятливих наслідків генних мутацій є парність хромосом у диплоїдному каріотипі соматичних клітин еукаріотів.

Парність алелей генів перешкоджає фенотиповому прояву мутацій, якщо вони мають рецесивний характер.

Певний внесок у зниження шкідливих наслідків генних мутацій робить явище екстракопіювання генів, що кодують життєво важливі макромолекули. Воно полягає у наявності в генотипі кількох десятків, а іноді й сотень ідентичних копій таких генів. Прикладом можуть бути гени рРНК, тРНК, гістонових білків, без яких життєдіяльність будь-якої клітини неможлива.

За наявності екстракопій мутаційна зміна в одному або навіть кількох однакових генах не веде до катастрофічних наслідків для клітини. Копій, що залишаються незмінними, цілком достатньо, щоб забезпечити нормальне функціонування.

Істотне значення має також функціональна нерівнозначність замін амінокислот у поліпептиді. Якщо нова і амінокислоти, що змінюється, подібні за фізико-хімічними властивостями, зміни третинної структури і біологічних властивостей білка незначні.

Так, мутантні гемоглобіни HbS і НЬС людини відрізняються від нормального гемоглобіну НЬА заміною в 6-му положенні р-ланцюга глутамінової кислоти відповідно на валін або лізин. Перша заміна різко змінює властивості гемоглобіну та призводить до розвитку тяжкого захворювання – серповидно-клітинної анемії.

При другій заміні властивості гемоглобіну змінюються значно меншою мірою.

Причиною цих відмінностей є те, що глутамінова кислота та лізин виявляють подібні гідрофільні властивості, тоді як валін – це гідрофобна амінокислота.

Таким чином, перелічені механізми сприяють збереженню відібраних у ході еволюції генів і одночасно накопиченню в генофонді популяції різних алелів, формуючи резерв спадкової мінливості. Останній визначає високу еволюційну пластичність населення, тобто. здатність виживати у різноманітних умовах.

4.3 Використання генетичної інформації у процесах життєдіяльності

4.3.1 Роль РНК у реалізації спадкової інформації

Спадкова інформація, записана за допомогою генетичного коду, зберігається в молекулах ДНК і розмножується для того, щоб забезпечити клітини, що знову утворюються, необхідними "інструкціями" для їх нормального розвитку та функціонування. Водночас безпосередньої участі у життєзабезпеченні клітин ДНК не бере. Роль посередника, функцією якого є переведення спадкової інформації, що зберігається в ДНК, у робочу форму, грають рибонуклеїнові кислоти - РНК.

На відміну від молекул ДНК рибонуклеїнові кислоти представлені одним полінуклеотидним ланцюгом, який складається з чотирьох різновидів нуклеотидів, що містять цукор, рибозу, фосфат та одну з чотирьох азотистих основ - аденін, гуанін, урацил або цитозин. РНК синтезується на молекулах ДНК за допомогою ферментів РНК-полімераз з дотриманням принципу комплементарності та антипаралельності, причому аденіну ДНК в РНК комплементарний урацил. Все різноманіття РНК, що діють у клітині, можна поділити на три основні види: мРНК, тРНК, рРНК.

Матрична, чи інформаційна, РНК (мРНК, чи иРНК). Транскрипція. Для того щоб синтезувати білки із заданими властивостями, до місця їх побудови надходить "інструкція" про порядок включення амінокислот у пептидний ланцюг. Ця інструкція укладена в нуклеотидній послідовності матричних або інформаційних РНК (мРНК, іРНК), що синтезуються на відповідних ділянках ДНК. Процес синтезу мРНК називають транскрипцією.

Синтез мРНК починається з виявлення РНК-полімеразою особливої ділянки в молекулі ДНК, яка вказує на місце початку транскрипції - промотора. Після приєднання до промотору РНК-полімераза розкручує прилеглий виток спіралі ДНК. Два ланцюги ДНК у цьому місці розходяться, і на одній з них фермент здійснює синтез мРНК. Складання рибонуклеотидів у ланцюг відбувається з дотриманням їх комплементарності нуклеотидам ДНК, а також антипаралельно по відношенню до матричного ланцюга ДНК. У зв'язку з тим, що РНК-полімераза здатна збирати полінуклеотид лише від 5"-кінця до 3"-кінця, матрицею для транскрипції може служити тільки один з двох ланцюгів ДНК, а саме той, який звернений до ферменту своїм 3"-кінцем ( 3" → 5"). Такий ланцюг називають кодогенним (рис.3.24). Антипаралельність з'єднання двох полінуклеотидних ланцюгів у молекулі ДНК дозволяє РНК-полімеразі правильно вибрати матрицю для синтезу мРНК.

Просуваючись уздовж кодогенного ланцюга ДНК, РНК-полімераза здійснює поступове точне переписування інформації доти, доки вона не зустрічає специфічну нуклеотидну послідовність - термінатор транскрипції. У цьому вся ділянці РНК-полимераза відокремлюється як від матриці ДНК, і від знову синтезованої мРНК (рис.25). Фрагмент молекули ДНК, що включає промотор, послідовність, що транскрибується, і термінатор, утворює одиницю транскрипції - транскриптон.

Таблиця 1. Генетичний код мРНК (підкреслено кодони-термінатори). Другий нуклеотид

У	Ц	А	Г

Рис.24. Схема синтезу мРНК

Матрицею для транскрипції мРНК служить кодогенний ланцюг ДНК, звернений до ферменту своїм 3-кінцем

Мал. 25. Роль РНК-полімерази у транскрипції:

I - виявлення промоторної області в молекулі ДНК та розкручування спіралі ДНК; II - ініціація синтезу ланцюга РНК шляхом зв'язування двох перших рибонуклеозидгрифосфатів; III - нарощування ланцюга РНК у напрямку 5" → 3" шляхом приєднання рибонуклеозидгрифосфатів; IV - вивільнення 5"-кінця синтезованої РНК та відновлення подвійної спіралі ДНК; V - закінчення синтезу РНК в області термінатора, відділення полімерази від завершеного ланцюга РНК

Транспортна РНК (ТРНК). Трансляція. Важлива роль процесі використання спадкової інформації клітиною належить транспортної РНК (тРНК). Доставляючи необхідні амінокислоти до місця збирання пептидних ланцюгів, тРНК виконує функцію трансляційного посередника.

Молекули тРНК є полінуклеотидними ланцюгами, що синтезуються на певних послідовностях ДНК. Вони складаються із відносно невеликої кількості нуклеотидів - 75-95. В результаті комплементарної сполуки основ, що знаходяться в різних ділянках полінуклеотидного ланцюга тРНК, вона набуває структури, що нагадує формою лист конюшини (рис.26).

Рис.26. Будова типової молекули тРНК

У ньому виділяють чотири основні частини, виконують різні функції. Акцепторне "стебло" утворюється двома комплементарно з'єднаними кінцевими частинами тРНК. Він складається з семи пар основ.3"-кінець цього стебла трохи довше і формує одноланцюговий ділянку, який закінчується послідовністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цього кінця приєднується амінокислота, що транспортується. Інші три гілки являють собою комплементарно спарені послідовності нуклеотидів, які закінчуються ділянками, що утворюють петлі Середня з цих гілок - антикодонова - складається з п'яти пар нуклеотидів і містить в центрі своєї петлі антикодон.

Між акцепторної та антикодонової гілками розташовуються дві бічні гілки. У своїх петлях вони містять модифіковані основи - дигідроурідін (D-петля) і триплет TψC, де у - псевдоуріаїн (Т^С-петля). Між аитикодоновой і Т^С-гілками міститься додаткова петля, що включає від 3-5 до 13-21 нуклеотидів.

Загалом різні види тРНК характеризуються певною сталістю нуклеотидної послідовності, яка найчастіше складається з 76 нуклеотидів. Варіювання їх числа пов'язане головним чином із зміною кількості нуклеотидів додаткової петлі. Комплементарні ділянки, що підтримують структуру тРНК, зазвичай консервативні. Первинна структура тРНК, яка визначається послідовністю нуклеотидів, формує вторинну структуру тРНК, що має форму листа конюшини. У свою чергу, вторинна структура обумовлює тривимірну третинну структуру, для якої характерне утворення двох перпендикулярно розташованих подвійних спіралей (рис.27). Одна з них утворена акцепторною і ТС-гілками, інша - антикодонової та D-гілками.

Різні види тРНК мають подібну третинну структуру, хоч і з деякими варіаціями.

Рис.27. Просторова організація тРНК:

I - вторинна структура тРНК у вигляді "конюшинного листа", що визначається її первинною структурою (послідовністю нуклеотидів у ланцюзі);

II – двовимірна проекція третинної структури тРНК;

III - схема укладання молекули тРНК у просторі

Однією з особливостей тРНК є наявність у ній незвичайних основ, що виникають внаслідок хімічної модифікації вже після включення нормальної основи полінуклеотидний ланцюг. Ці змінені підстави зумовлюють велике структурне різноманіття тРНК за загального плану їхньої будови. Найбільший інтерес представляють модифікації основ, що формують антикодон, які впливають на специфічність взаємодії з кодоном. Наприклад, нетипова основа інозин, що іноді стоїть в 1-му положенні антикодону тРНК, здатна комплементарно з'єднуватися з трьома різними третіми основами кодону мРНК - У, Ц і А (рис.3.28). Так як однією з особливостей генетичного коду є його виродженість (див. разд.3.4.1.2), багато амінокислот шифруються кількома кодонами, які, як правило, відрізняються своєю третьою основою. Завдяки неспецифічності зв'язування модифікованої основи антикодону одна тРНК дізнається кілька кодонів-синонімів.

Рис.28. З'єднання інозину водневими зв'язками з трьома різними азотистими основами Водневі зв'язки позначені точками

Рис.29. Приєднання амінокислоти до відповідної тРНК:

I - 1-й етап, взаємодія амінокислоти та АТФ з виділенням пірофосфату;

II - 2-й етап, приєднання адепільованої амінокислоти до 3"-кінця РНК

На першому етапі амінокислота активується, взаємодіючи своєю карбоксильною групою з АТФ. В результаті утворюється адепільована амінокислота.

На другому етапі це з'єднання взаємодіє з ОН-групою, що знаходиться на 3"-кінці відповідної тРНК, і амінокислота приєднується до нього своєю карбоксильною групою, вивільняючи при цьому АМФ. Таким чином, цей процес протікає з витратою енергії, що отримується при гідролізі АТФ до АТФ .

Специфічність сполуки амінокислоти та тРНК, що несе відповідний антикодон, досягається завдяки властивостям ферменту аміноацил-тРНК-синтетази. У цитоплазмі існує цілий набір таких ферментів, які здатні до просторового впізнавання, з одного боку, своєї амінокислоти, з другого - відповідного їй антикодону тРНК (рис.3.30). Спадкова інформація, "записана" в молекулах ДНК і "переписана" на мРНК, розшифровується в ході трансляції завдяки двом процесам специфічного впізнавання молекулярних поверхонь. Спочатку фермент аміноацил-тРНК-синтетазу забезпечує з'єднання тРНК з амінокислотою, що транспортується нею. Потім аміноацил-тРНК комплементарно спарується з мРНК завдяки взаємодії антикодону з кодоном. За допомогою системи тРНК мова нуклеотидного ланцюга мРНК. транслюється у мову амінокислотної послідовності пептиду (рис.30).

Рибосомна РНК (РРНК). Рибосомний цикл синтезу білка. Процес взаємодії мРНК і тРНК, що забезпечує трансляцію інформації з мови нуклеотидів на мову амінокислот, здійснюється рибосомами. Останні є складні комплекси рРНК і різноманітних білків, у яких перші утворюють каркас. Рибосомні РНК є не лише структурним компонентом рибосом, а й забезпечують зв'язування їх із певною нуклеотидною послідовністю мРНК. Цим встановлюються початок та рамка зчитування при утворенні пептидного ланцюга. Крім того, вони забезпечують взаємодію рибосоми та тРНК. Численні білки, що входять до складу рибосом поряд з рРНК, виконують як структурну, так і ферментативну роль.

Рис.30. Схема трансляції генетичного коду: I – приєднання амінокислоти (триптофану) до відповідної тРНК за допомогою ферменту аміноацил-тРНК-синтетази; II - приєднання тРНК, що несе свою амінокислоту, до мРНК завдяки зв'язуванню її антикодону з кодоном мРНК

Рибосоми про- та еукаріотів дуже подібні за структурою та функціями. Вони складаються з двох субчасток: великої та малої. У еукаріотів мала субчастиця утворена однією молекулою рРНК і 33 молекулами різних білків. Велика субчастка поєднує три молекули рРНК і близько 40 білків. Прокаріотичні рибосоми та рибосоми мітохондрій та пластид містять менше компонентів.

У рибосомах є дві борозенки. Одна з них утримує поліпептидний ланцюг, інша - мРНК. Крім того, у рибосомах виділяють дві ділянки, що зв'язують тРНК. В аміноацильному, А-ділянці розміщується аміноацил-тРНК, яка несе певну амінокислоту. У пептидильному, П-ділянці розташовується зазвичай тРНК, яка навантажена ланцюжком амінокислот, з'єднаних пептидними зв'язками. Утворення А- та П-ділянок забезпечується обома субчастинками рибосоми.

Кожного моменту рибосома екранує сегмент мРНК довжиною близько 30 нуклеотидів. При цьому забезпечується взаємодія лише двох тРНК із двома розташованими поруч кодонами мРНК (рис.31).

Трансляція інформації на "мову" амінокислот виявляється у поступовому нарощуванні пептидного ланцюга відповідно до інструкції, укладеної в мРНК. Цей процес протікає на рибосомах, які забезпечують послідовність розшифрування інформації з допомогою тРНК. У ході трансляції можна виділити три фази: ініціацію, елонгацію та термінацію синтезу пептидного ланцюга.

Рис.31. Ділянки зв'язування молекул тРНК та рибосоми:

I – ненавантажена рибосома, II – навантажена рибосома; ак - амінокислота

Фаза ініціації, або початок синтезу пептиду, полягає в об'єднанні двох субчастиць рибосоми, що знаходяться до цього порізно в цитоплазмі, на певній ділянці мРНК і приєднанні до неї першої аміноацил-тРНК. Цим визначається також рамка зчитування інформації, укладеної в мРНК (рис.32).

У молекулі будь-якої мРНК поблизу її 5"-кінця є ділянка, комплементарний рРНК малої субчастинки рибосоми і специфічно впізнаваний нею. Поряд з ним розташовується ініціюючий стартовий кодон АУТ, що шифрує амінокислоту метіонін. в області, що відповідає П-ділянці При цьому тільки ініціююча тРНК, що несе метіонін, здатна зайняти місце в недобудованій П-дільниці малої субчастки і комплементарно з'єднатися зі стартовим кодоном. ділянок (рис.3.32).

Рис.32. Ініціація білкового синтезу:

I - з'єднання малої субгодини рибосоми з мРНК, приєднання до стартового кодону несучої метіонін тРНК, яка розташовується в недобудованому П-ділянці; II - з'єднання великої та малої субчастинок рибосоми з утворенням П- та А-ділянок; наступний етап пов'язаний з розміщенням в А-ділянці аміноацил-тРНК, що відповідає розташованому в ньому кодону мРНК-початок елонгації; ак - амінокислота

До кінця фази ініціації П-ділянка зайнятий аміноацил-тРНК, пов'язаної з метіоніном, тоді як в А-ділянці рибосоми розташовується наступний за стартовим кодон.

Описані процеси ініціації трансляції каталізуються особливими білками – факторами ініціації, які рухомо пов'язані з малою субчастицею рибосоми. По завершенні фази ініціації та утворення комплексу рибосоми – мРНК – ініціююча аміноацил-тРНК ці фактори відокремлюються від рибосоми.

Фаза елонгації, або подовження пептиду, включає всі реакції від моменту утворення першого пептидного зв'язку до приєднання останньої амінокислоти. Вона являє собою циклічно повторювані події, при яких відбувається специфічне впізнавання аміноацил-тРНК чергового кодону, що знаходиться в ділянці А, комплементарна взаємодія між антикодоном і кодоном.

Завдяки особливостям тривимірної організації тРНК при з'єднанні антикодону з кодоном мРНК. транспортована нею амінокислота розташовується в А-ділянці, поблизу раніше включеної амінокислоти, що знаходиться в П-ділянці. Між двома амінокислотами утворюється пептидна зв'язок, що каталізується особливими білками, що входять до складу рибосоми. В результаті попередня амінокислота втрачає зв'язок зі своєю тРНК і приєднується до аміноацил-тРНК, розташованої в ділянці. ТРНК, що знаходиться в цей момент в П-дільниці, вивільняється і йде в цитоплазму (рис.33). Переміщення тРНК, навантаженим пептидним ланцюжком, з А-ділянки до П-ділянку супроводжується просуванням рибосоми по мРНК на крок, що відповідає одному кодону. Тепер наступний кодон приходить у контакт з А-дільницею, де він буде специфічно "пізнаний" відповідною аміноацил-тРНК, яка розмістить тут свою амінокислоту. Така послідовність подій повторюється до тих пір, поки А-ділянка рибосоми не надійде кодон-термінатор, для якого не існує відповідної тРНК.

Рис.33. Фаза елонгації у синтезі білка:

1-й етап - аміноацил-тРНК приєднується до кодону, розташованого в А-ділянці;

2-й етап - між амінокислотами, розташованими в А - і П-ділянках, утворюється пептидія зв'язок: тРНК, розташована в П-ділянці, звільняється від своєї амінокислоти і залишає рибосому;

3-й етап - рибосома переміщається мРНК на один кодон так, що тРНК, навантажена пептидним ланцюжком, переходить з А-ділянки в П-ділянку; вільна А-ділянка може бути зайнята відповідною аміноацил-тРНК

Рис.34. Термінація синтезу пептидного ланцюга:

1-й етап – приєднання фактора звільнення до стоп-кодону;

2-й етап – термінація, вивільнення завершеного пептиду;

3-й етап – дисоціація рибосоми на дві субчастинки

Складання пептидного ланцюга здійснюється з досить великою швидкістю, яка залежить від температури. У бактерій при 37 ° С вона виявляється у додаванні до підіпептиду від 12 до 17 амінокислот в 1 с. В еукаріотичних клітинах ця швидкість нижча і виявляється у додаванні двох амінокислот в 1 с.

Фаза термінації, або завершення синтезу поліпептиду, пов'язана із впізнанням специфічним рибосомним білком одного з термінуючих кодонів (УАА, УАГ або У ГА), коли той входить до зони А-ділянки рибосоми. При цьому до останньої амінокислоти в пептидному ланцюгу приєднується вода, і її карбоксильний кінець відокремлюється від тРНК. В результаті завершений пептидний ланцюг втрачає зв'язок з рибосомою, яка розпадається на дві субчастинки (рис.34).

4.3.2 Особливості організації та експресії генетичної інформації у про- та еукаріотів

За хімічною організацією матеріалу спадковості та мінливості еукаріотичні та прокаріотичні клітини принципово не відрізняються одна від одної. Генетичний матеріал вони представлений ДНК. Спільним їм є і принцип запису генетичної інформації, і навіть генетичний код. Одні й самі амінокислоти шифруються у про - і еукаріот однаковими кодонами. Принципово однаковим чином названих типів клітин здійснюється і використання спадкової інформації, що зберігається в ДНК. Спочатку вона транскрибується до нуклеотидної послідовності молекули мРНК, а потім транслюється в амінокислотну послідовність пептиду на рибосомах за участю тРНК. Однак деякі особливості організації спадкового матеріалу, що відрізняють еукаріотичні клітини від прокаріотів, зумовлюють відмінності у використанні їхньої генетичної інформації.

Спадковий матеріал прокаріотичної клітини міститься головним чином єдиної кільцевої молекулі ДНК. Вона розташовується безпосередньо в цитоплазмі клітини, де також є необхідні для експресії генів тРНК і ферменти, частина з яких укладена в рибосомах. Гени прокаріотів складаються з кодуючих нуклеотидних послідовностей, що реалізуються в ході синтезу білків, тРНК або рРНК.

Спадковий матеріал еукаріотів більше за обсягом, ніж у прокаріотів. Він розташований в основному в спеціальних ядерних структурах - хромосомах, які відокремлені від цитоплазми ядерною оболонкою. Необхідний для синтезу білків апарат, що складається з рибосом, тРНК, набору амінокислот та ферментів, знаходиться у цитоплазмі клітини.

Значні відмінності є у молекулярній організації генів еукаріотичної клітини. У більшості з них екзони, що кодують послідовності, перериваються інтронними ділянками, які не використовуються при синтезі тРНК, рРНК або пептидів. Кількість таких ділянок варіює у різних генах. Встановлено, що ген овальбуміну курей включає 7 інтронів, а ген проколагену ссавців - 50. Ці ділянки видаляються з первинно-транскрибованої РНК, у зв'язку з чим використання генетичної інформації в еукаріотичній клітині відбувається дещо інакше. У прокаріотичній клітині, де спадковий матеріал та апарат біосинтезу білка просторово не роз'єднані, транскрипція та трансляція відбуваються майже одночасно. В еукаріотичній клітині ці два етапи не лише просторово відокремлені ядерною оболонкою, а й у часі їх поділяють процеси дозрівання мРНК, з якої мають бути видалені неінформативні послідовності (рис.35).

Мал. 35. Узагальнена схема процесу експресії генетичної інформації в еукаріотичній клітині

Крім зазначених відмінностей на кожному етапі експресії генетичної інформації можна відзначити деякі особливості перебігу цих процесів у про- та еукаріотів.

Транскрипція у про - та еукаріотів. Транскрипція – це синтез РНК на матриці ДНК. У прокаріотів синтез всіх трьох видів РНК каталізується одним складним білковим комплексом - РНК-полімеразою.

Транскрипційний апарат еукаріотичних клітин включає три ядерні РНК-полімерази, а також РНК-полімерази мітохондрій та пластид. РНК-полімераза I виявляється в ядерцях клітин і відповідає за транскрипцію генів рРНК. РНК-полімераза II локалізується в ядерному соку та відповідає за синтез попередника мРНК. РНК-полімераза III - невелика фракція, що знаходиться в ядерному соку і здійснює синтез малих рРНК та тРНК. Кожен із цих ферментів має дві великі субодиниці і до 10 малих. РНК-полімерази мітохондрій та пластид відрізняються від ядерних.

Ферментний комплекс РНК-полімерази специфічно дізнається якусь нуклеотидну послідовність (часто не одну), розташовану на певній відстані від стартової точки транскрипції - промотор. Стартовою точкою вважають нуклеотид ДНК, якому відповідає перший нуклеотид, що включається ферментом РНК-транскрипт.

У прокаріотів зазвичай неподалік стартової точки проти ходу транскрипції розташовується послідовність з шести нуклеотидів - ТАТААТ, звана блоком Прибнова. Це середньостатистична послідовність, що складається з найбільш часто зустрічаються підстав, найбільш консервативними з яких є 1,2 і 6 підстави. Наявність у цій послідовності основ, переважно з'єднаних подвійними водневими зв'язками з комплементарними основами іншого ланцюга, очевидно, полегшує локальне плавлення подвійної спіралі ДНК та утворення двох її одноланцюгових ділянок при контакті з РНК-полімеразою. Блок Прибнова перебуває у положенні від - 11 до - 5 чи - 14 до - 8, тобто. за кілька нуклеотидів перед стартовою точкою транскрипції (рис.36). Виявляючи цю послідовність, РНК-полімераза міцно зв'язується з нею і починає синтез РНК. Така ж важлива роль у встановленні контакту РНК-полімерази з ДНК належить іншій нуклеотидній послідовності, центр якої знаходиться в положенні - 35. Її називають областю впізнавання - ТТГАЦА. Між двома вказаними ділянками відстань є досить постійною і становить від 16 до 19 пар нуклеотидів (п. н).

Промотори еукаріотичних генів також включають щонайменше дві специфічні нуклеотидні послідовності, центри яких знаходяться в положенні - 25 і - 75 п. н.

На відстані 19-27 нуклеотидів від стартової точки проти перебігу транскрипції у багатьох генів еукаріотів виявлена середньостатистична послідовність ТАТ А Т А А Т (ТАТА-блок, або блок Хогнесса), в якій, так само як у блоці Прибнова у прокаріотів, переважають підстави, що утворюють слабші зв'язки. Другу послідовність, що зустрічається в багатьох промоторах еукаріотів і складається з ГГ Ц Т ЦААТЦТ, позначають як ЦААТ-блок. Вона займає положення між - 70 - 80 нуклеотидами і також є областю, відомої полімеразою. У деяких генах виявлено багатокомпонентні промотори.

Так, в окремих генах вірусу герпесу для ефективної ініціації транскрипції необхідні три послідовності ДНК, розташовані між - 19 і - 27, між - 47 і - 61, а також між - 80 і - 105 нуклеотидами.

Рис.36. Точки контакту для РНК-полімерази, що знаходяться у верхньому ланцюзі ДНК (промотор)

Особливості промоторних ділянок свідчать про те, що для ініціації транскрипції має значення не тільки поєднання основ у певних областях промотору, але й взаємне розташування молекули ДНК цих областей, з якими зв'язується ферментний комплекс РНК-полімерази.

Після встановлення контакту між РНК-полімеразою і промоторною ділянкою починається складання молекули РНК, в яку першим найчастіше включається нуклеотид, що несе пуринову основу (як правило, аденін) і містить три 5"-фосфатних залишку.

Далі, у міру просування РНК-полімерази вздовж молекули ДНК відбувається поступове подовження ланцюга РНК, яке продовжується до зустрічі ферменту з областю термінатора. Термінатор - це ділянка, де припиняється подальше зростання ланцюга РНК та відбувається її звільнення від матриці ДНК. РНК-полімераза також відокремлюється від ДНК, яка відновлює свою дволанцюжкову структуру.

Рис.37. Область ДНК з подвійною симетрією - паліндром:

I - паліндром, в якому є послідовність, однакова під час читання в протилежних напрямках;

II - паліндром, в якому заштрихований інвертований повтор знаходиться на відстані від осі симетрії

У прокаріотичних клітинах термінатори обов'язково містять паліндроми - дволанцюгові послідовності нуклеотидів ДНК, які однаково читаються в обох напрямках (рис.37). Ділянка РНК, транскрибована з такої послідовності, здатна утворювати дволанцюгові шпильки за рахунок комплементарного спарювання нуклеотидів паліндрому. Можливо, це і є сигналом для завершення транскрипції, пізнаваним РНК-полімеразою (рис.3.38). Виникають шпильки, мабуть, зупиняють полімеразу на термінаторі. Слідом за шпилькою в молекулу РНК включається послідовність із нуклеотидів, що містять урацил (поліУ), яка, ймовірно, бере участь у вивільненні РНК від матриці ДНК. Справді, полиУ-послідовність РНК, з'єднана з полиадениловой (поліА) послідовністю ДНК, характеризується слабкою взаємодією. Привертає увагу те що, що ділянка ДНК, багатий парами А-Т, зустрічається у місці ініціації транскрипції (блок Прибнова), а й у термінаторної області.

Бактеріальні термінатори значно різняться за своєю ефективністю. Деякі їх як би не помічаються РНК-полимеразой, і вона продовжує транскрипцію поза термінатора. Таке прочитування термінатора при транскрипції бактеріальних генів спостерігається внаслідок запобігання термінації специфічними білками – факторами антитермінації. Наслідком антитермінації є синтез поліцистронної мРНК, що включає інформацію, списану з декількох послідовно розташованих структурних генів.

Термінатори еукарйогічних генів вивчені меншою мірою, ніж у проскаріотів, але в них також виявлені райони, багаті Г-Ц парами, з'єднаними потрійними водневими зв'язками, в яких розташовується, ділянка з А-Т парами. На цій ділянці в транскрипт включається поліУ-послідовність, слабо взаємодіє з матричної поліА-області ДНК.

Можливо, область термінатора, багата на Г-Ц парами, грає певну роль у зупинці РНК-полімерази, а ділянка РНК, що містить УУУУ забезпечує відділення транскрипта від матриці ДНК.

У еукаріотів не виявлено утворення структур, подібних до шпильок у прокаріотичних РНК. Тому, як вони здійснюють термінація транскрипції, залишається незрозумілим.

У складі всіх мРНК можна виділити ділянки, що кодують, що представляють набір кодонів, які шифрують послідовність амінокислот в пептиді. Як правило, ці ділянки починаються стартовим кодоном АУГ, але іноді бактерії використовують кодон ГУТ. На кінці послідовності, що кодує, розташовується термінуючий кодон. Крім кодуючих ділянок мРНК на обох кінцях можуть розташовуватися додаткові послідовності. На 5"-кінці це лідерна ділянка, розташована перед стартовим кодоном. На 3"-кінці - трейлер, що йде за кодоном-термінатором.

Рис.38. Утворення шпильки ділянкою РНК при термінації транскрипції у прокаріотів

Область РНК, що несе паліндром, утворює структуру, що комплементарно спарується - шпильку (інвертовані повтори заштриховані)

У поліцистронні мРНК прокаріотів між кодуючими ділянками є міжцистронні області, що варіюють за розмірами (рис.3.39).

Рис.39. Поліцистрона матрична РНК прокаріотів:

1 - некодуючі області; 2 - міжцистронні області; 3 - кодуючі області; 4 - термінуючі кодони.

У зв'язку з тим, що прокаріотичні гени повністю складаються з нуклеотидних послідовностей, що беруть участь у кодуванні інформації, транскрибовані з них РНК відразу після їх синтезу здатні виконувати функцію матриць для трансляції. Лише у виняткових випадках потрібно їхнє попереднє дозрівання - процесинг.

На відміну від прокаріотичних генів більшість генів еукаріотичних клітин уривчасті, оскільки несуть у своєму складі неінформативні нуклеотидні послідовності - інтрони, що не беруть участь у кодуванні інформації. У зв'язку з цим первинні транскрипти, синтезовані РНК-полімеразою II, мають більші, ніж необхідно для трансляції, розмірами і виявляються менш стабільними. У сукупності вони утворюють так звану гетерогенну ядерну РНК (тРНК), яка перш ніж вийти з ядра і почати активно функціонувати в цитоплазмі, піддається процесингу і перетворюється на зрілі мРНК.

Процесинг еукаріотичних мРНК. Дозрівання, або процесинг, мРНК передбачає модифікування первинного транскрипта і видалення з нього інтронних ділянок, що не кодують, з подальшим з'єднанням (сплайсингом) кодуючих послідовностей - екзонів. Модифікація первинного транскрипту еукаріотичної мРНК починається невдовзі після синтезу його 5"-кінця, що містить одну з пуринових основ (аденін або гуанін). гуанін, зв'язком 5"-5".

Гфффф + фффАфN… → ГффффАфN. + фф + ф У результаті утворюється послідовність ГффффАфЧМ..., в якій залишок туаніну знаходиться у зворотній орієнтації по відношенню до інших нуклеотидів мРНК. Модифікація 5"-кінця мРНК передбачає також метилювання приєднаного гуаніну і перших двох-трьох підстав первинного транскрипта (рис.3.40). Утворені на 5" - кінцях мРНК кепи забезпечують впізнавання молекул мРНК малими субчастинками рибосом у цитоплазмі. Кешування здійснюється ще до закінчення синтезу первинного транскрипту.

Мал. 40. Освіта зрілої мРНК еукаріотів у ході процесингу:

1 - некодуючі послідовності; 2 - екзони; 3 - інтрони; 4 - кодон-термінатор.

Після завершення транскрипції відбувається видалення частини нуклеотидів на 3"-кінці первинного транскрипту і приєднання до нього послідовності, що складається з 100-200 залишків аденілової кислоти (поліА) (рис.3.40). Вважають, що ця послідовність сприяє подальшому процесингу та транспорту зрілої ядра Після виходу мРНК в цитоплазму її поліА-послідовність поступово коротшає під дією ферментів, що відщеплюють нуклеотиди на 3"-кінці. Таким чином, за довжиною поліА-послідовності можна побічно судити про час перебування мРНК у цитоплазмі. Можливо, додавання поліА-послідовності під час процесингу підвищує стабільність мРНК. Однак, близько третини мРНК взагалі не містять поліА-ділянки. До них відносяться, наприклад, гістонові мРНК.

Утворення кепа на 5"-кінці та поліА-послідовності на 3"-кінці характерне тільки для процесингу РНК, що синтезуються РНК-полімеразою II. Крім метилювання при формуванні кепів у мРНК вищих еукаріотів відбувається метилювання невеликої частини внутрішніх нуклеотидів з частотою приблизно одне на тисячу основ мРНК.

Поряд з модифікуванням мРНК еукаріотів процесинг передбачає видалення з первинних транскриптів неінформативних для даного білка інтронних ділянок, розмір яких варіює від 100 до 10 000 нуклеотидів і більше. Перед інтронів припадає близько 80% всієї гяРНК. Видалення інтронів із наступним з'єднанням екзонних ділянок називають сплайсингом (рис.40).

Сплайсинг є механізмом, який повинен забезпечувати видалення з первинного транскрипта строго певних інтронних ділянок. Порушення цього процесу може призвести до зсуву рамки зчитування під час трансляції та неможливості синтезу нормального пептиду. Закономірність вирізування інтронів, очевидно, забезпечується завдяки наявності на їх кінцях специфічних нуклеотидних послідовностей, що є сигналами для сплайсингу.

В даний час описано кілька ймовірних механізмів сплайсингу, що забезпечують точність цього процесу. Можливо, вона досягається дією якихось ферментів, які специфічно впізнають кінцеві ділянки інтронів і каталізують розрив фосфодіефірних зв'язків на кордоні екзон - інтрон, а потім утворення зв'язків між двома екзонами.

Встановлено активну участь у сплайсингу спеціальних малих, ядерних РНК (мяРНК), що утворюють комплекси з білками (мяРНП). Очевидно, мяРНК своїми нуклеотидними послідовностями комплементарно взаємодіють з кінцевими ділянками інтронів, які утворюють замкнені петлі. Розщеплення РНК в гирлі інтронної петлі призводить до видалення неінформативної послідовності та з'єднання (сплайсингу) зближених кінців екзонів.

Обговорюється також автокаталітична здатність РНК-транскрипту до сплайсингу. Описані способи сплайсингу свідчать про відсутність універсального механізму цього процесу, проте у всіх випадках досягається точне видалення інтронів з утворенням певної мРНК, що забезпечує синтез необхідного клітині білка.

В даний час доведена можливість альтернативного (взаємовиключного) сплайсингу, при якому з одного і того ж первинного транскрипта можуть видалятися різні нуклеотидні послідовності та утворюватись різні зрілі мРНК. В результаті та сама послідовність нуклеотидів ДНК може бути інформацією для синтезу різних пептидів. Альтернативний сплайсинг, ймовірно, дуже характерний у системі генів імуноглобулінів у ссавців, де дозволяє формувати на основі одного транскрипта мРНК для синтезу різних видів антитіл.

Завдяки перетворенням, що відбуваються з РНК-транскриптом у ході процесингу, зрілі мРНК еукаріотів характеризуються більшою стабільністю порівняно з прокаріотичними мРНК.

Після завершення процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом у цитоплазму, куди потрапляє лише 5% гяРНК. Решта розщеплюється, не залишаючи ядра.

Таким чином, перетворення первинних транскриптів еукаріотичних генів, обумовлені їх екзонітронною організацією та необхідністю переходу мРНК з ядра в цитоплазму, визначають особливості реалізації генетичної інформації в еукаріотичній клітині.

Трансляція у про- та еукаріотів. У прокаріотичних клітинах процес трансляції пов'язаний із синтезом мРНК: вони відбуваються практично одночасно. Значною мірою це пов'язано з недовговічністю бактеріальної мРНК, яка досить швидко зазнає розпаду. Взаємопов'язаність транскрипції та трансляції у бактерії проявляється у узгодженості швидкостей цих процесів. При 37°З транскрипція йде зі швидкістю 2500 нуклеотидів/хв (14 кодонів/с), а трансляція здійснюється зі швидкістю 15 амінокислот/с.

Трансляція у прокаріотів починається незабаром після утворення 5"-кінця мРНК, раніше, ніж закінчується її синтез. В результаті слідом за РНК-полімеразою по мРНК рухаються рибосоми, що здійснюють складання пептидних ланцюгів (мал.41). Через деякий час після початку транскрипції (близько 1 хв) і до завершення трансляції 3"-кінця матриці починається деградація її 5"-кінця. З огляду на те, що час життя різних мРНК не однаково, кількість білка, синтезованого на різних матрицях, по-різному.

Однією з особливостей трансляції у прокаріотів є включення в пептидний ланцюг як перша амінокислота модифікованого метіоніну - формілметіоніну, з якого починаються все знову синтезовані пептиди. Навіть у тому випадку, коли роль стартового кодону виконує кодом ГУГ, у звичайних умовах шифруючий валін, у першому положенні пептиду виявляється формілметіонін. Стартовий кодон АУГ або ГУГ слідує за лідерною ділянкою, яка екранується рибосомою в момент ініціації трансляції.

З'єднання рибосоми з мРНК обумовлено комплементарною взаємодією нуклеотидів однієї з рРНК з нуклеотидною послідовністю лідера мРНК.

Ця послідовність (Шайна-Дальгарно) розташовується на відстані 4-7 підстав перед кодоном АУГ і виявляється повсюдно у лідерних ділянках прокаріотів.

При з'єднанні 5"-кінця мРНК з малою субчастицею рибосоми стартовий кодон зазвичай виявляється майже в середині екранованого рибосомою фрагмента мРНК в області, що відповідає її П-ділянці.

У еукаріотів трансляція здійснюється в цитоплазмі, куди потрапляє з ядра зріла мРНК. Копірований кінець мРНК розпізнається малою субчастицею рибосоми, потім лідируюча послідовність, що містить до 100 нуклеотидів, взаємодіє з рРНК. При цьому стартовий кодон АУГ виявляється у недобудованій П-ділянці рибосоми. Після приєднання до стартового кодону аміноацил-тРНК, що несе метіонін, відбувається возз'єднання двох субчастинок рибосоми та формуються її А- та П-ділянки. Синтез білка в еукаріотичній клітині, що здійснюється на моноцистронні мРНК, завершується після проходження рибосомою по всій мРНК, аж до впізнавання нею кодона-термінатора, що припиняє утворення пептидних зв'язків.

Посттрансляційні перетворення білків. Синтезовані в ході трансляції пептидні ланцюги на основі своєї первинної структури набувають вторинної та третинної, а багато - і четвертинної організації, утвореної кількома пептидними ланцюгами. Залежно від функцій, що виконуються білками, їх амінокислотні послідовності можуть зазнавати різних перетворень, формуючи функціонально активні молекули білка.

Багато мембранних білків синтезуються у вигляді пребілків, що мають на N-кінці лідерну послідовність, яка забезпечує його впізнавання мембрани. Ця послідовність відщеплюється при дозріванні та вбудовуванні білка в мембрану. Секреторні білки також мають на N кінці лідерну послідовність, яка забезпечує їх транспорт через мембрану. Деякі білки відразу після трансляції несуть додаткові амінокислотні послідовності, що визначають стабільність попередників активних білків. При дозріванні білка вони видаляються, забезпечуючи перехід неактивного пробілу активний білок. Наприклад, інсулін спочатку синтезується як препроінсулін. Під час секреції перепослідовність відщеплюється, а потім проінсулін піддається модифікації, при якій з нього видаляється частина ланцюга і він перетворюється на зрілий інсулін.

Рис.41. Транскрипція, трансляція та деградація мРНК у прокаріотів:

I - РНК-полімераза зв'язується з ДНК і починає синтезувати мРНК у напрямку 5" → 3";

II - у міру просування РНК-полімерази до 5"-кінцю мРНК прикріплюються рибосоми, що починають синтез білка;

III - група рибосом слідує за РНК-полімеразою, на 5"-кінці мРНК починається її деградація;

IV - процес деградації протікає повільніше, ніж транскрипція та трансляція;

V - після закінчення транскрипції мРНК звільняється від ДНК, на ній триває трансляція та деградація на 5"-кінці.

Формуючи третинну та четвертинну організацію в ході посттрансляційних перетворень, білки набувають здатності активно функціонувати, включаючись у певні клітинні структури та здійснюючи ферментативні та інші функції.

Розглянуті особливості реалізації генетичної інформації у про- та еукаріотичних клітинах виявляють принципову подібність цих процесів. Отже, механізм експресії генів, пов'язаний з транскрипцією та подальшою трансляцією інформації, яка зашифрована за допомогою біологічного коду, склався загалом ще до того, як було сформовано ці два типи клітинної організації. Дивергентна еволюція геномів про - і еукаріотів призвела до виникнення відмінностей в організації їх спадкового матеріалу, що не могло не позначитися і на механізмах його експресії.

Постійне вдосконалення наших знань про організацію та функціонування матеріалу спадковості та мінливості обумовлює еволюцію уявлень про ген як функціональну одиницю цього матеріалу.

Г Є Н Е Т І К А

Генетика – наука, яка вивчає закономірності спадковості та мінливості.

Спадковість – властивість всіх живих організмів передавати особливості своєї будови та розвитку нащадкам.

Мінливість–властивість всіх живих організмів змінювати спадкову інформацію, отриману від батьків, і навіть процес її реалізації під час індивідуального розвитку (онтогенезу).Мінливість - це властивість, протилежна спадковості.

Ці два поняття тісно пов'язані одне з одним.

Термін «генетика» вперше був запропонований в 1906 році англійським ученим У. Бетсоном, проте історія розвитку цієї науки своїм корінням сягає в далеке минуле.

Всю історію розвитку генетики можна умовно поділити на чотири етапи:

Існування умоглядних гіпотез про природу спадковості.

Відкриття основних законів спадковості.

Вивчення спадковості на клітинному рівні.

Вивчення спадковості на молекулярному рівні.

Структурно-функціональні рівні організації спадкового матеріалу

У спадковій структурі клітини та організму в цілому виділяють три рівні організації генетичного матеріалу: генний, хромосомний і геномний.

Генний рівень

Найменшою (елементарною) одиницею спадкового матеріалу є ген.

Ген - це частина молекули ДНК, що має певну послідовність нуклеотидів і являє собою одиницю функціонування спадкового матеріалу.

Ген несе інформацію про конкретну ознаку або властивість організму.

Людина має близько 30 тисяч генів.

Зміна у структурі гена веде до зміни відповідної ознаки. Отже, генетично забезпечуються індивідуальне успадкування і індивідуальна мінливість ознак.

Хромосомний рівень

Усі гени в клітині об'єднані групи і розташовуються в хромосомах в лінійному порядку. Кожна хромосома унікальна за набором генів, що входять до неї. До складу хромосом входять ДНК, білки (гістонові та негістонові), РНК, полісахариди, ліпіди та іони металів.

Хромосомний рівень в еукаріотичних клітинах забезпечує характер функціонування окремих генів, тип їх успадкування та регуляцію їхньої активності. Він дозволяє закономірно відтворювати та передавати спадкову інформацію в процесі поділу клітини.

Геномний рівень

Геном – сукупність всіх генів, що у гаплоїдному наборі хромосом.При заплідненні два геному батьківських гамет зливаються та утворюють генотип.

Генотип – сукупність всіх генів, укладених у диплоїдному наборі хромосом, чи каріотипі.Каріотип - повний набір хромосом, що характеризується у кожного виду їх строго певним числом та будовою.

Геномний рівень відрізняється високою стабільністю. Він забезпечує складну систему взаємодії генів. Результатом взаємодії генів один з одним та з факторами зовнішнього середовища є фенотип.

Молекулярні основи спадковості

Ген як елементарна одиниця спадкової інформації виконує певні функції та має певні властивості.

Функції генів:

зберігання спадкової інформації;

керування біосинтезом білка та інших речовин у клітині;

контроль за розвитком та старінням клітини.

Властивості генів:

дискретність: один ген контролює одна ознака;

специфіка: кожен ген відповідає строго за свою ознаку;

стабільність структури: гени передаються з покоління до покоління не змінюючись;

дозування дії: один ген визначає одну дозу фенотипічного прояву ознаки;

здатність до мутування (зміни структури);

здатність до реплікації (самоподвоєння);

здатність до рекомбінації (переходу з однієї гомологічної хромосоми до іншої).

Функціональна класифікація генів

Усі гени поділяються на три групи:

структурні - Контролюють розвиток ознак шляхом синтезу відповідних ферментів;

регуляторні - Керують діяльністю структурних генів;

модуляторні - Зміщують процес прояву ознак у бік його посилення або ослаблення, аж до повного блокування.

Особливості будови генів

у прокаріотичних та еукаріотичних клітин

Клітини у природі поділяються на прокаріотичні та еукаріотичні. У прокаріотів ген має безперервну структуру, тобто. є частиною молекули ДНК.

У еукаріотів ген складається з ділянок, що чергуються: екзонів і інтронів . Екзон – інформативна ділянка, інтрон – неінформативна. Число інтронів у різних генів неоднакове (від 1 до 50).

Експресія (прояв дії) гена у процесі синтезу білка

Весь процес синтезу білка умовно поділяється на три етапи: транскрипція,

процесинг та трансляція.

Транскрипція

Транскрипція – процес переписування інформації з молекули ДНК і-РНК. Протікає у ядрі.

Молекула ДНК і двох спірально закручених ниток. Кожна нитка представлена послідовністю нуклеотидів, а кожен нуклеотид складається з вуглеводу (пентози), азотистої основи та залишку фосфорної кислоти.

Кожна нитка молекули ДНК має два кінці – гідроксильний (3) та фосфатний (5). Нитки розташовані по відношенню один до одного антипаралельно.

Синтез і-РНК у клітині завжди йде від фосфатного кінця до гідроксильного. Тому матрицею для транскрипції служить одна нитка ДНК, звернена до синтезуючого ферменту своїм гідроксильним кінцем; вона називається кодогенної, або інформативною (а інша нитка, відповідно, некодогенною, чи неінформативною).

Транскрипція поділяється на три періоди:

ініціація,

елонгація,

термінація.

Надрукувати