Az örökítőanyag szerveződésének szerkezeti és funkcionális szintjei. Az örökletes anyag szerveződése pro- és eukariótákban
A GENETIKAI ANYAG SZERKEZETI ÉS FUNKCIÓS SZERVEZÉSE
4.2. A DNS, mint az öröklődés és változékonyság szubsztanciájának tulajdonságai
4.2.3 Változások a DNS-nukleotid szekvenciákban.
4.2.4 A genetikai anyag variabilitásának elemi egységei. Mouton. Recon
4.2.6 A génmutációk káros hatását csökkentő mechanizmusok
4.3 A genetikai információ felhasználása az életfolyamatokban
4.3.2 A genetikai információ szerveződésének és kifejeződésének jellemzői pro- és eukariótákban
1. Az öröklődés és a változékonyság az élők alapvető tulajdonságai
Az életet, mint speciális jelenséget az időbeni létezés időtartama jellemzi (több mint 3,5 milliárd éve keletkezett a Földön), amit az élő rendszerek generációinak folytonossága biztosít. Változás történik a testben a sejtgenerációkban, a populációkban élő organizmusok generációiban, a biocenózis rendszerében a fajok változásában, a bioszférát alkotó biocenózisokban. Az élő rendszerek önreprodukciós képessége az élet folyamatos időbeni létének alapja. Az élet megőrzése változó körülmények között az élőformák evolúciójának köszönhetően lehetséges, melynek során olyan változások következnek be, amelyek az új környezethez való alkalmazkodást biztosítják. A létezés folytonossága és az élő természet történeti fejlődése az élet két alapvető tulajdonságának köszönhető: az öröklődésnek és a változékonyságnak.
A tréningeken az öröklődés és a változékonyság tulajdonságait hagyományosan a sejt és a szervezet viszonylatában veszik figyelembe. Valójában szupraorganizmus szinten is megnyilvánulnak. Az élőlények szerveződésének sejtes és szervezeti (ontogenetikai) szintjén az öröklődés alatt a sejtek vagy organizmusok azon tulajdonságát értjük az önszaporodás folyamatában, hogy az új nemzedéknek átadják egy bizonyos típusú anyagcsere és egyedfejlődés képességét, melynek során kialakítják az adott sejttípus és élőlénytípus közös jellemzőit és tulajdonságait, valamint a szülők egyes egyéni jellemzőit. Az életszervezés populáció-faji szintjén az öröklődés abban nyilvánul meg, hogy egy adott populáció (faj) élőlényeinek számos generációjában a különböző genetikai formák állandó arányát fenntartják. Biocenotikus szinten a biocenózis fennmaradását a biocenózist alkotó élőlényfajok bizonyos arányainak megőrzése biztosítja.
A földi élet létrejöttében és fejlődésében meghatározó szerepet játszott az öröklődés, amely a biológiailag hasznos evolúciós elsajátításokat több generációban megszilárdította, bizonyos konzervativizmust biztosítva az élő rendszerek szerveződésében. Az öröklődés az evolúció egyik fő tényezője.
Az élőtermészet időbeni fennmaradása a változó feltételek mellett lehetetlen lenne, ha az élő rendszerek nem lennének képesek bizonyos, az új környezeti viszonyok között hasznos változásokat megszerezni és fenntartani. Az élő rendszereknek azt a tulajdonságát, hogy változásokat szereznek és különböző változatokban léteznek, változékonyságnak nevezzük.
Az azonos fajhoz tartozó egyes sejtekben és élőlényekben az egyedfejlődésüket befolyásoló változékonyság a köztük lévő különbségek megjelenésében nyilvánul meg. Ez a tulajdonság az életszervezés populáció-faj szintjén egy faj egyes populációi közötti genetikai különbségek jelenlétében nyilvánul meg, ami új fajok kialakulásának hátterében áll. Az új fajok megjelenése változásokat vezet be a fajok közötti kapcsolatokban a biocenózisokban. A változékonyság bizonyos értelemben az élő rendszerek szerveződésének dinamizmusát tükrözi, és az öröklődés mellett az evolúció vezető tényezője. Annak ellenére, hogy eredményeik szerint az öröklődés és a változékonyság többirányú, az élő természetben e két alapvető tulajdonság elválaszthatatlan egységet alkot, amely egyszerre biztosítja a meglévő biológiailag hasznos tulajdonságok megőrzését az evolúció folyamatában és újak megjelenését, lehetővé teszik az életet különféle körülmények között.
2. Az öröklődés és a változékonyság anyagi szubsztrátumának szerveződéséről alkotott elképzelések kialakulásának története
Az öröklődést és a változékonyságot, mint minden élő rendszer legfontosabb tulajdonságát, egy speciális anyagi szubsztrát működése biztosítja. A biológia tudomány történeti fejlődése során a tulajdonságairól, szerveződéséről és kémiai természetéről alkotott elképzelések folyamatosan bővülnek, összetettebbé válnak.
A 60-as években. 19. század a genetika (az öröklődés és változékonyság tudományának) megalapítója, G. Mendel (1865) fogalmazta meg az első feltevéseket az örökítőanyag szerveződéséről. Borsón végzett kísérleteinek eredményei alapján arra a következtetésre jutott, hogy az örökítőanyag diszkrét, i.e. az élőlények bizonyos jellemzőinek kialakulásáért felelős egyéni örökletes hajlamok képviselik. Mendel szerint az ivarosan szaporodó élőlények örökítőanyagában egyetlen tulajdonság kialakulását egy pár allél hajlam biztosítja, amely mindkét szülő csírasejtjével érkezett. Az ivarsejtek kialakulása során az allél hajlampárból csak egy kerül mindegyikbe, ezért az ivarsejtek mindig „tiszták”. 1909-ben V. Johansen Mendel "örökletes hajlamait" géneknek nevezte.
80-as évek 19. század A citológia területén jelentős eredmények születtek: leírták a mitózist és a meiózist - a szomatikus és csírasejtek osztódását, amelynek során a magstruktúrák - kromoszómák - rendszeresen eloszlanak a leánysejtek között (V. Voldeyer, 1888).
A sejtosztódás folyamatában a kromoszómák eloszlásának természetére vonatkozó adatok a 20. század elején lehetővé tették. Boveri (1902-1907) és W. Setgon (1902-1903) arra a következtetésre jutott, hogy a sejtek és organizmusok számos generációjának tulajdonságainak folytonosságát kromoszómáik folytonossága határozza meg. A kromoszómákat kezdték az örökletes program anyagi hordozóinak tekinteni.
Az örökletes hajlamokról és kromoszómákról alkotott elképzeléseket ötvöző öröklődés kromoszómaelméletének továbbfejlesztése a 20. század elején történt meg. T. Morgan és munkatársai. A Drosophilán végzett kísérletek során beigazolódott a korábban kifejtett feltételezés a kromoszómák szerepéről az öröklődés biztosításában. Megállapítást nyert, hogy a gének a kromoszómákban, lineáris sorrendben helyezkednek el. Az egyes kromoszómák génjei egy kapcsolódási csoportot alkotnak, amelyek számát a csírasejtekben lévő kromoszómák száma határozza meg. Az azonos kapcsolódási csoport génjei általában együtt öröklődnek. Számos esetben azonban rekombinációjuk keresztezés miatt következik be, amelynek gyakorisága a gének távolságától függ.
Így a genetika egyik legfontosabb alapelve, az örökítőanyag diszkrétségének és folytonosságának egysége tükröződött a kromoszómaelméletben.
Megjegyzendő, hogy a XX. század elején is. Olyan tényeket fedeztek fel, amelyek bizonyították a sejtekben a különféle citoplazmatikus struktúrákban elhelyezkedő extrakromoszómális örökítőanyag jelenlétét, amely egy speciális citoplazmatikus öröklődést határoz meg (K. Korrens, 1908).
Ugyanebben az időben X. de Vries (1901) lefektette az örökletes hajlamok vagy kromoszómák hirtelen változásaihoz kapcsolódó mutációs variabilitás elméletének alapjait, ami a szervezet bizonyos jeleinek megváltozásához vezet. A következő években felfedezték a röntgensugárzás, a sugárzás, bizonyos vegyi anyagok és biológiai ágensek mutagén hatását a kromoszómákra és a génekre.
A vizsgálatok eredményeként nyilvánvalóvá vált, hogy az öröklődés és a változékonyság ugyanazon anyagi szubsztrát működésének köszönhető.
A XX. század első évtizedeiben. olyan adatok kerültek elő, amelyek a tulajdonságok állapotának a gének kölcsönhatásának természetétől való függőségét igazolták, ami túlmutat a Mendel által leírt dominancia és recesszív viszonyokon. Ebből született a genetikai apparátus mint kölcsönható gének rendszerének ötlete - a genotípus, amely a kromoszómakészletben koncentrálódik - a kariotípus.
A kromoszómák kémiai összetételének vizsgálata két fő típusú vegyületet tárt fel, amelyek ezeket a szerkezeteket alkotják - fehérjéket és nukleinsavakat. A XX. század első felében. kutatók megoldották az öröklődés és változékonyság szubsztrátjának kémiai természetének kérdését. Kezdetben a fehérjék mellett tettek javaslatokat. 1928-ban F. Griffith pneumococcusokon végzett kísérletet, amelyben az egyik baktériumtörzs egyes örökletes tulajdonságainak megváltozását (transzformációját) figyelték meg egy másik törzs elölt sejtjéből nyert anyag hatására. A baktériumok örökletes tulajdonságait átalakító anyag kémiai természetét csak 1944-ben állapították meg. Avery, aki bebizonyította, hogy a nukleinsavakhoz (DNS) tartozik.
További bizonyítékok a DNS szerepére az öröklődés és variabilitás biztosításában:
1) a DNS-tartalom állandósága a test minden típusú szomatikus sejtjében;
2) a DNS-tartalom megfelelése a sejtek ploidiájának (szomatikus sejtekben kétszer annyi, mint a csírasejtekben, poliploid sejtekben a kromoszómakészletek számának felel meg);
3) a genetikai rekombináció jelensége baktériumokban konjugációjuk során, amelynek során a DNS egy része egyik sejtből a másikba hatol, és megváltozik az utóbbi tulajdonságai;
4) a baktériumsejtek örökletes tulajdonságainak megváltoztatása a DNS-nek egyik törzsről a másikra történő átvitelével egy DNS-fág segítségével - a transzdukció jelensége;
5) a vírusok izolált nukleinsavainak fertőző aktivitása.
A nukleinsavak célirányos tanulmányozásának fontos eredménye volt, hogy J. Watson és F. Crick (1953) megalkotta a DNS-molekula térbeli modelljét.
A XX. század második felében. A tudósok erőfeszítései a nukleinsavak genetikai funkcióinak alapját képező tulajdonságainak, az örökletes információk rögzítésének és olvasásának módjainak, a genetikai kód természetének és szerkezetének, a génaktivitás szabályozásának mechanizmusainak tanulmányozására irányulnak a az egyes tulajdonságok kialakulása és a fenotípus egésze. A 60-as években. M. Nirenberg, S. Ochoa, X. Korana és mások munkái elvégezték a genetikai kód teljes dekódolását, megállapították a nukleinsavmolekulában lévő nukleotidhármasok és bizonyos aminosavak megfelelőségét. A 70-es években. A géntechnológiai módszereket aktívan elkezdték fejleszteni, amelyek lehetővé teszik az élő szervezetek örökletes tulajdonságainak célzott megváltoztatását.
A 20. század végére az új molekuláris genetikai technológiáknak köszönhetően lehetővé vált a különböző élőlények genomjainak DNS-molekuláiban a nukleotid szekvenciák meghatározása (DNS szövegek olvasása). Az összesen 3 milliárd bázispár által képviselt emberi genom DNS-szövegeit 2001-ig többnyire elolvasták. A molekuláris biológia tudományos és gyakorlati irányát, amely a DNS-molekulák nukleotidszekvenciájának meghatározását célozza, genomikának nevezzük.
3. A genetikai anyag általános tulajdonságai és a genetikai apparátus szerveződési szintjei
Az öröklődés és változékonyság fenti definíciói alapján feltételezhetjük, hogy e két élettulajdonság anyagi szubsztrátjának milyen követelményeknek kell megfelelnie.
Először is, a genetikai anyagnak képesnek kell lennie az önreplikációra a szaporodási folyamat során örökletes információkat továbbítanak, amelyek alapján egy új generáció kialakítására kerül sor. Másodszor, annak érdekében, hogy a jellemzők stabilitása több generáción keresztül biztosítható legyen, az örökítőanyagnak állandóan meg kell tartania szervezeti felépítését. Harmadszor, az öröklődés és a változékonyság anyagának képesnek kell lennie a változások megszerzésére és azok reprodukálására, lehetővé téve az élőanyag történeti fejlődését változó körülmények között. Az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja csak akkor tudja biztosítani az élőtermészet létezésének és fejlődésének tartamát, folytonosságát, ha megfelel a meghatározott követelményeknek.
A genetikai apparátus természetére vonatkozó modern elképzelések lehetővé teszik a szervezet három szintjének megkülönböztetését: gén, kromoszómális és genomiális. Mindegyiken megnyilvánulnak az öröklődés és változékonyság anyagának főbb tulajdonságai, átvitelének és működésének bizonyos mintái.
4. A genetikai apparátus szerveződésének génszintje
A genetikai apparátus elemi funkcionális egysége, amely meghatározza egy adott faj sejtjének vagy szervezetének egy adott tulajdonságának kialakulásának lehetőségét, egy gén (G. Mendel szerint örökletes lerakódás). A sejtek vagy organizmusok generációinak sorozatában a gének átvitelével anyagi folytonosság érhető el – a szülői tulajdonságok öröklődése a leszármazottak által.
A jel alatt az organizmusok (sejtek) morfológiai, fiziológiai, biokémiai, immunológiai, klinikai és bármely más diszkrét egységét értjük, pl. külön minőség vagy tulajdonság, amiben különböznek egymástól.
Az organizmusok vagy sejtek fent felsorolt jellemzőinek többsége az összetett tulajdonságok kategóriájába tartozik, amelyek kialakításához számos anyag, elsősorban specifikus tulajdonságokkal rendelkező fehérjék - enzimek, immunproteinek, szerkezeti, kontraktilis, transzport és egyéb fehérjék - szintézisére van szükség. Egy fehérjemolekula tulajdonságait a polipeptidláncának aminosav-szekvenciája határozza meg, amelyet közvetlenül a megfelelő gén DNS-ében lévő nukleotidok szekvenciája határoz meg, és egy elemi vagy egyszerű jellemző.
A gén, mint a genetikai apparátus funkcionális egysége fő tulajdonságait kémiai szerveződése határozza meg,
4.1 A gén kémiai szerveződése
Az öröklődő anyag kémiai természetének feltárását célzó vizsgálatok cáfolhatatlanul bebizonyították, hogy az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja a nukleinsav, amelyet F. Miescher (1868) fedezett fel a gennysejtek magjában. A nukleinsavak makromolekulák, azaz. nagy molekulatömegűek. Ezek monomerekből - nukleotidokból álló polimerek, amelyek három komponenst tartalmaznak: cukrot (pentózt), foszfátot és nitrogénbázist (purin vagy pirimidin). Egy nitrogéntartalmú bázis (adenin, guanin, citozin, timin vagy uracil) kapcsolódik a C-1 pentózmolekula első szénatomjához, és egy foszfát kapcsolódik az ötödik szénatomhoz (C-5) éterkötés segítségével; a harmadik C-3 szénatom mindig hidroxilcsoporttal rendelkezik - OH (1. ábra).
A nukleotidok nukleinsavmakromolekulává való kapcsolódása az egyik nukleotid foszfátjának a másik hidroxilcsoportjával való kölcsönhatása révén történik, így foszfodiészter kötés jön létre közöttük (2. ábra). Az eredmény egy polinukleotid lánc. A lánc gerincét váltakozó foszfát- és cukormolekulák alkotják. A fent felsorolt nitrogénbázisok egyike a pentózmolekulákhoz kapcsolódik a C-1" pozícióban (3. ábra).
1. ábra. A nukleotid szerkezet diagramja
Lásd a szöveget a magyarázatért; az ábrán használt nukleotid komponensek megnevezése minden további nukleinsav séma megmarad
A polinukleotid lánc összeállítása a polimeráz enzim részvételével történik, amely biztosítja a következő nukleotid foszfátcsoportjának kapcsolódását az előző nukleotid 3" pozíciójában lévő hidroxilcsoporthoz (3.3. ábra). A nevezett enzim működésének sajátossága miatt a polinukleotid lánc növekedése csak az egyik végén történik: ott, ahol a szabad hidroxil a 3" pozícióban van. A lánc elején mindig van egy foszfátcsoport az 5" pozícióban. Ez lehetővé teszi az 5" és a 3" végek kiválasztását.
A nukleinsavak közül kétféle vegyületet különböztetnek meg: dezoxiribonukleinsav (DNS) és ribonukleinsav (RNS). Az örökletes anyag fő hordozóinak - a kromoszómáknak - összetételének vizsgálata során kiderült, hogy kémiailag legstabilabb komponensük a DNS, amely az öröklődés és a változékonyság szubsztrátja.
4.1.1 A DNS szerkezete. J. Watson és F. Crick modellje
A DNS nukleotidokból áll, amelyek magukban foglalják a cukrot - dezoxiribózt, foszfátot és az egyik nitrogénbázist - purint (adenint vagy guanint) vagy pirimidint (timin vagy citozin). A DNS szerkezeti felépítésének sajátossága, hogy molekulái két polinukleotid láncot tartalmaznak, amelyek bizonyos módon kapcsolódnak egymáshoz. Az 1953-ban J. Watson amerikai biofizikus és F. Crick angol biofizikus és genetikus által javasolt háromdimenziós DNS-modellnek megfelelően ezek a láncok nitrogénbázisaik között hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a komplementaritás elve szerint. Az egyik lánc adeninje két hidrogénkötéssel kapcsolódik egy másik lánc timinjéhez, és három hidrogénkötés jön létre a különböző láncú guanin és citozin között. A nitrogénbázisok ilyen kapcsolata erős kapcsolatot biztosít a két lánc között, és mindvégig egyenlő távolságot tart közöttük.
4. ábra. A DNS-molekula szerkezetének diagramja. A nyilak jelzik a célpontok párhuzamosságát.
A DNS-molekulában lévő két polinukleotid lánc asszociációjának másik fontos jellemzője az antiparallelizmus: az egyik lánc 5"-os vége kapcsolódik a másik 3"-os végéhez, és fordítva (4. ábra).
A röntgendiffrakciós adatok azt mutatták, hogy a két szálból álló DNS-molekula a saját tengelye körül csavart hélixet alkot. A hélix átmérője 2 nm, a menethossz 3,4 nm. Minden kör 10 pár nukleotidot tartalmaz.
Leggyakrabban a kettős spirálok jobbkezesek - a spirál tengelye mentén felfelé haladva a láncok jobbra fordulnak. Az oldatban lévő DNS-molekulák többsége jobbkezes - B-formában (B-DNS) van. Vannak azonban balkezes formák is (Z-DNS). Hogy ebből a DNS-ből mennyi van jelen a sejtekben, és mi a biológiai jelentősége, azt még nem állapították meg (3.5. ábra).
5. ábra. A DNS balkezes Z-alakjának (I) és jobbkezes B-alakjának (II) térbeli modelljei
Így a DNS-molekula szerkezeti felépítésében megkülönböztethető az elsődleges szerkezet - egy polinukleotid lánc, a másodlagos szerkezet - két komplementer és antiparallel polinukleotid lánc, amelyeket hidrogénkötések kötnek össze, és a tercier szerkezet - egy háromdimenziós hélix a fentiekkel. térbeli jellemzők.
4.1.2 Módszer genetikai információ rögzítésére egy DNS-molekulában. Biológiai kód és tulajdonságai
Elsősorban az élet sokféleségét a sejtekben különféle biológiai funkciókat ellátó fehérjemolekulák sokfélesége határozza meg. A fehérjék szerkezetét a peptidláncukban lévő aminosavak halmaza és sorrendje határozza meg. A peptidekben található aminosav-szekvenciát biológiai (genetikai) kóddal kódolják a DNS-molekulák. A mindössze négy különböző nukleotid váltakozását reprezentáló DNS-szerkezet viszonylagos primitív volta hosszú ideig megakadályozta, hogy a kutatók ezt a vegyületet az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátjának tekintsék, amelyben rendkívül sokrétű információt kell titkosítani.
1954-ben G. Gamow azt javasolta, hogy az információ kódolását a DNS-molekulákban több nukleotid kombinációjával kell végrehajtani. A természetben előforduló különféle fehérjékben körülbelül 20 különböző aminosavat találtak. Ilyen számú titkosításhoz csak egy triplett kód biztosít elegendő számú nukleotid-kombinációt, amelyben minden aminosavat három szomszédos nukleotid kódol. Ebben az esetben négy nukleotidból 4 3 = 64 triplett jön létre. Egy két nukleotidból álló kód csak 4 2 = 16 különböző aminosav kódolását tenné lehetővé.
A genetikai kód teljes dekódolása a 60-as években történt. századunk. A 64 lehetséges DNS-hármasból 61 különböző aminosavakat kódol; a maradék 3-at értelmetlennek, vagy "nonszensz hármasnak" nevezik. Nem kódolnak aminosavakat, és írásjelként működnek örökletes információk olvasásakor. Ezek közé tartozik az ATT, ACT, ATC.
Fel kell hívni a figyelmet a kód nyilvánvaló redundanciájára, ami abban nyilvánul meg, hogy sok aminosavat több hármas kódol (6. ábra). A triplet kódnak ez a degenerációnak nevezett tulajdonsága nagyon fontos, mivel a DNS-molekula szerkezetében bekövetkező változások a polinukleotid láncban egy nukleotid cseréje miatt nem változtatják meg a triplet jelentését. A három nukleotidból álló új kombináció ugyanazt az aminosavat kódolja.
A genetikai kód tulajdonságainak tanulmányozása során felfedezték annak specifikusságát. Minden triplet csak egy specifikus aminosavat kódolhat. Érdekes tény a kód teljes megfelelése a különféle típusú élő szervezetekben. A genetikai kód ilyen univerzalitása a biológiai evolúció folyamatában a Földön élő összes sokféleség eredetének egységéről tanúskodik. Egyes fajok mitokondriumainak DNS-ében kisebb eltérések találhatók a genetikai kódban. Ez általában nem mond ellent a kód egyetemességére vonatkozó kijelentésnek, de az élet létezésének korai szakaszában bizonyos eltérések mellett tanúskodik a kódex fejlődésében. Különböző fajok mitokondriumainak DNS-ében található kód megfejtése kimutatta, hogy a mitokondriális DNS-ben minden esetben van egy közös vonás: az ACT hármast ACC-ként olvassuk, és ezért nonszensz hármasból triptofán aminosav titkosítássá válik.
6. ábra. Aminosavak és az ezeket kódoló DNS-hármasok
Az egyéb jellemzők a különböző élőlényfajokra jellemzőek. Az élesztőben a GAT triplett, és esetleg az egész GA család, a leucin aminosav helyett a treonint kódolja. Emlősökben a TAG hármas jelentése ugyanaz, mint a TAC, és izoleucin helyett metionint kódol. Egyes fajok mitokondriumainak DNS-ében található TCH és TCC hármasok nem kódolnak aminosavakat, mivel nonszensz hármasok. A hármasság, a degeneráltság, a specifitás és az univerzalitás mellett a genetikai kód legfontosabb jellemzői a folytonosság és a kodonok átfedésének hiánya az olvasás során. Ez azt jelenti, hogy a nukleotidszekvenciát hármasonként, hézagok nélkül olvassuk be, miközben a szomszédos hármasok nem fedik át egymást, pl. minden egyes nukleotid csak egy triplet része egy adott leolvasási kerethez (3.7. ábra). A genetikai kód nem átfedésének bizonyítéka, hogy a DNS-ben egy nukleotid cseréjekor csak egy aminosav cserélődik ki a peptidben. Abban az esetben, ha egy nukleotidot több átfedő hármasba foglalnak be, a helyettesítése a peptidláncban 2-3 aminosav helyettesítését vonná maga után.
7. ábra. A genetikai kód folytonossága és vitathatatlansága az örökletes információk olvasásakor.
A nukleotidok nukleotidok.
4.2 A DNS mint öröklődési anyag tulajdonságai és változékonyság
4.2.1. Az örökítőanyag önreprodukciója. DNS replikáció
Az öröklődési anyag egyik fő tulajdonsága, hogy képes önmagát másolni - replikáció. Ezt a tulajdonságot a két komplementer szálból álló DNS-molekula kémiai szerveződésének sajátosságai biztosítják. A replikáció során a kiindulási DNS-molekula minden polinukleotid láncán egy komplementer lánc szintetizálódik. Ennek eredményeként egy DNS kettős hélixből két egyforma kettős hélix jön létre. A molekulák megkettőzésének ezt a módszerét, amelyben minden leánymolekula egy szülőt és egy újonnan szintetizált láncot tartalmaz, félig konzervatívnak nevezzük.
A replikációhoz a szülő DNS-szálakat el kell választani egymástól, hogy templátokká váljanak, amelyeken a leánymolekulák komplementer szálai szintetizálódnak.
A replikáció megindítását a DNS speciális régióiban hajtják végre, amelyeket ori-nak neveznek (az angol eredetű - a kezdet). Tartalmaznak egy 300 bp-os szekvenciát, amelyet specifikus fehérjék ismernek fel. Ezekben a lókuszokban a DNS kettős hélix két láncra oszlik, és általában a replikációs origó mindkét oldalán polinukleotid lánc divergencia régiók képződnek - replikációs villák, amelyek az ori lókusztól ellentétes irányba mozognak. A replikációs villák között létrejön a replikációs szemnek nevezett szerkezet, ahol az anyai DNS két szálán új polinukleotid láncok képződnek (8. ábra, A).
A hidrogénkötéseket megbontó helikáz enzim segítségével a DNS kettős hélixe a replikáció kezdőpontjain letekerődik. Az így létrejövő egyedi DNS-szálakat speciális destabilizáló fehérjék kötik meg, amelyek megfeszítik a láncok gerincét, így azok nitrogéntartalmú bázisai elérhetővé teszik a nukleoplazmában található komplementer nukleotidokhoz való kötődést. A replikációs villa régiójában kialakult láncok mindegyikén a DNS-polimeráz enzim részvételével komplementer láncok szintézise zajlik (8. ábra, B).
8. ábra. Replikáció kezdőterülete. replikációs villa
A. Replikációs szem kialakulása.
B. A replikációs villa régiója a DNS-molekulában
A szintézis során a replikációs villák a szülőspirál mentén ellentétes irányban mozognak, új zónákat rögzítve.
A szülői DNS helikális szálainak a helikáz enzim általi elválasztása szupertekercsek megjelenését okozza a replikációs villa előtt. Ez azzal magyarázható, hogy a hélix egy fordulatát képező 10 nukleotidpáronként a szülő DNS-nek egy teljes fordulatot kell végrehajtania a tengelye körül. Ezért a replikációs villa előremozdításához az előtte lévő teljes DNS-molekulának gyorsan kell forognia, ami nagy energiaráfordítást igényelne. Ez valójában nem figyelhető meg a fehérjék egy speciális osztálya, az úgynevezett DNS-topoizomeráz miatt. A topoizomeráz megszakítja az egyik DNS-szálat, lehetővé téve, hogy a második szál körül forogjon. Ez gyengíti a DNS kettős hélixben felhalmozódott feszültséget (9. ábra).
A nukleoplazmából származó szabad nukleotidok, ahol dezoxiribonukleozid-grifoszfátok formájában vannak jelen: dATP, dGTP, dCTP, dTTP, kapcsolódnak az elválasztott szülői láncok nukleotidszekvenciájának felszabaduló hidrogénkötéseihez. A komplementer nukleozid-trifoszfát hidrogénkötéseket képez az eredeti DNS-szál specifikus bázisával. Ezután a DNS polimeráz enzim közreműködésével foszfodiészter kötéssel kötődik az újonnan szintetizált lánc előző nukleotidjához, miközben szervetlen pirofoszfátot ad (10. ábra).
Ahogy a DNS-polimeráz hozzáadja a következő nukleotidot az OH-csoporthoz az előző nukleotid 3'-helyzetében, a lánc fokozatosan meghosszabbodik a 3'-végén.
A DNS-polimeráz sajátossága, hogy nem képes elindítani egy új polinukleotid lánc szintézisét két nukleozid-trifoszfát egyszerű megkötésével: bármely polinukleotid lánc 3"-OH-terminálisa szükséges a templát DNS-lánccal párosítva, amelyhez a DNS-polimeráz csak új nukleotidok hozzáadása.. Olyan polinukleotid A leotidláncot magnak vagy primernek nevezzük.
A replikáció során a DNS-polinukleotid láncok szintézisében a primer szerepét az RNS-primáz enzim részvételével kialakított rövid RNS-szekvenciák töltik be (11. ábra). A DNS-polimeráz ezen tulajdonsága azt jelenti, hogy csak egy párosított primert hordozó DNS-lánc, amelynek szabad 3'-OH-vége van, szolgálhat templátként a replikációhoz.
9. ábra. Az egyik DNS lánc megszakítása a DNS topoizomeráz enzim segítségével: I - DNS topoizomeráz kovalens kötést képez a DNS egyik foszfátcsoportjával (felső lánc); II - az egyik polinukleotid láncban a foszfodiészter kötés megszakadása következtében a másik lánc megfelelő kötése körül forgás történik, ami enyhíti a két DNS-lánc divergenciája okozta feszültséget a replikációs villa régiójában; III - a DNS-hélix feszültségének feloldása után a DNS topoizomeráz spontán szétválása és a foszfodiészter kötés helyreállítása következik be a DNS-láncban
A DNS-polimeráz azon képessége, hogy az 5"-től a 3"-ig terjedő irányban polinukleotidot állítson össze, amikor két DNS-szál párhuzamosan kapcsolódik egymáshoz, azt jelenti, hogy a replikációs folyamatnak eltérően kell lezajlania rajtuk. Valójában, ha az egyik mátrixon (3" → 5") az 5"-től a 3"-ig folyamatosan történik egy új lánc összeállítása és a 3"-os végén fokozatosan megnyúlik, akkor a másik lánc a mátrixon szintetizálódik. (5" → 3"), a 3"-tól az 5"-ig kell növekednie. Ez ellentétes a DNS-polimeráz enzim működési irányával.
10. ábra. A következő nukleotid rögzítése a DNS polimeráz részvételével szintetizált DNS leányszálához: FF-pirofoszfát
Mára megállapították, hogy a DNS második szálának szintézisét rövid fragmentumok (Okazaki-fragmensek) végzik az 5"-től a 3"-ig terjedő irányban is (a "tűvel hátrafelé" varrás típusa szerint) . A prokariótákban az Okazaki-fragmensek 1000-2000 nukleotidot tartalmaznak, az eukariótákban sokkal rövidebbek (100-200 nukleotid). Mindegyik ilyen fragmens szintézisét egy körülbelül 10 nukleotid hosszúságú RNS primer képződése előzi meg. Az újonnan képződött fragmenst az RNS primer eltávolítása után a DNS-ligáz enzim segítségével kapcsoljuk össze az előző fragmentummal (12. ábra, A).
Ezen jellemzők miatt a replikációs villa aszimmetrikus. A két szintetizált leánylánc közül az egyik folyamatosan épül, szintézise gyorsabb, és ezt a láncot nevezzük vezetőnek. A másik lánc szintézise lassabb, mivel külön fragmensekből áll össze, amelyek megkövetelik az RNS primer képzését, majd eltávolítását. Ezért egy ilyen láncot lemaradásnak (lagging) neveznek. Bár az egyes töredékek az 5 "→ 3" irányban képződnek, általában ez a lánc a 3 "→ 5" irányban nő (3.12. ábra, A). Tekintettel arra, hogy két replikációs villa általában az ori lókuszból indul ki, ellentétes irányba haladva, a bennük lévő vezető szálak szintézise az anyai DNS különböző szálain megy végbe (12. ábra, B). A replikációs folyamat végeredménye két olyan DNS-molekula képződése, amelyek nukleotidszekvenciája megegyezik a kiindulási DNS kettős hélixével.
11. ábra. RNS-primázzal katalizált rövid RNS primer szintézisének reakcióvázlata
A replikatív szintézis során fellépő eseménysor egy egész enzimrendszer részvételére utal: helikáz, topoizomeráz, destabilizáló fehérjék, DNS polimeráz és mások, amelyek együtt hatnak a replikációs villa tartományában (13. ábra).
A pro- és eukarióták DNS-replikációja alapvetően hasonló, azonban a szintézis sebessége az eukariótákban (kb. 100 nukleotid/s) egy nagyságrenddel alacsonyabb, mint a prokariótákban (1000 nukleotid/s). Ennek oka lehet a fehérjékkel kellően erős kötődésű eukarióta DNS kialakulása, ami gátolja annak despiralizációját, ami a replikatív szintézishez szükséges.
A replikáció kezdőpontjától a végpontig tartó DNS-fragmens egy replikációs egységet alkot - a replikont. Miután elindult a kiindulási ponton (az on lókuszban), a replikáció addig folytatódik, amíg a teljes replikon megkettőződik. A prokarióta sejtek körkörös DNS-molekuláinak egy helyük van, és teljesen különálló replikonok. Az eukarióta kromoszómák nagyszámú replikont tartalmaznak. Ebben a tekintetben az eukarióta kromoszóma mentén elhelyezkedő DNS-molekula megkettőződése több ponton megkezdődik. A különböző replikonokban a duplázódás különböző időpontokban vagy egyidejűleg is megtörténhet.
Rizs. 12. Két leány DNS-szál szintézise a szülőmolekula különböző szálain
V. A DNS-szálak antiparallelitása miatt a leányszálak szintézise eltérően megy végbe, a felső szülőszálon egy folyamatosan vezető szál, az alsó szülőszálon pedig Okazaki-fragmensekből áll össze a leányszál - egy lemaradt szál.
B. A vezető szálak szintézise többirányú villákban az anyai DNS különböző szálain megy végbe
4.2.2. A nukleozid DNS-szekvencia fenntartásának mechanizmusai. Kémiai stabilitás. Replikáció. Javítás
Ahhoz, hogy egy sejt vagy szervezet fő jellemzőit megőrizzék egész életük során, valamint több generáción át, az örökítőanyagnak ellenállónak kell lennie a külső hatásokkal szemben, vagy léteznie kell a benne fellépő változásokat korrigáló mechanizmusoknak. A természetben mindkét tényezőt használják. A harmadik tényező az anyai DNS nukleotidszekvenciáinak replikációja során történő másolásának pontossága.
13. ábra. A DNS-replikáció folyamatában részt vevő fehérjék
A DNS-helikáz kicsavarja a DNS kettős hélixet, elválasztva annak polinukleotid láncait; a destabilizáló fehérjék kiegyenesítik a DNS-lánc egy részét; A DNS topoizomeráz megszakítja a foszfodiészter kötést az egyik polikarbonát DNS-szálban, enyhítve a spirál letekeredése és a replikációs villánál a szálak szétválása által okozott feszültséget; Az RNS-primáz RNS primereket szintetizál a leányszálhoz és minden Okazaki-fragmenshez; A DNS-polimeráz a vezető szál folyamatos szintézisét és a lemaradó szál Okazaki-fragmenseinek szintézisét végzi; A DNS-ligáz az RNS primer eltávolítása után ligálja az Okazaki fragmentumokat
Reaktivitás szempontjából a DNS-molekulákat kémiailag inert anyagok közé sorolják. Ismeretes, hogy az öröklődés anyagának szerepét nemcsak a DNS, hanem az RNS is betöltheti (egyes vírusok). Úgy gondolják, hogy a DNS melletti választás az RNS-hez képest alacsonyabb reakcióképességének köszönhető.
A fent tárgyalt replikációs mechanizmust a DNS-struktúra reprodukálásának rendkívül nagy pontossága jellemzi. A DNS duplikációja során a hibák átlagosan 1·10 -6 komplementer bázispár gyakorisággal fordulnak elő.
A magas replikációs hűség fenntartásában elsősorban a DNS-polimeráz enzimnek van fontos szerepe. Ez az enzim kiválasztja a szükséges nukleotidokat a nukleozid-trifoszfátok (ATP, TTP, GTP, CTP) közül, amelyek a nukleáris nedvben jelen vannak, pontosan hozzákapcsolja azokat a DNS-templátlánchoz, és beépíti a növekvő leányláncba. A hibás nukleotidok felvételének gyakorisága ebben a szakaszban 1·10 -5 bázispár.
A DNS-polimeráz munkájában fellépő ilyen hibák a nitrogénbázisok megváltozott formáinak megjelenésével járnak, amelyek "illegális" párokat alkotnak az anyalánc bázisaival. Például a citozin egy megváltozott formája a guanin helyett hidrogén kötődik adeninhez. Ennek eredményeként egy hibás nukleotid kerül a növekvő DNS-láncba. Az ilyen bázis megváltozott formájának gyors átalakulása a megszokottba megzavarja a templáthoz való kötődését, megjelenik a növekvő DNS-lánc páratlan 3"-OH-vége. Ebben a helyzetben az önkorrekciós mechanizmus aktiválódik, hordozza. DNS polimeráz (vagy egy vele közeli rokon enzim - endonukleáz szerkesztése) által kikerül.Az önkorrekció a DNS-láncba tévesen bekerült, a templáttal nem párosított nukleotid hasításából áll (14. ábra). -korrekció a hibaarány 10-szeres csökkenése (10 -5-ről 10 -6-ra).
Az önkorrekció hatékonysága ellenére a DNS-duplikációt követő replikáció során hibák észlelhetők. Ez különösen akkor figyelhető meg, ha a környező szubsztrátban négy nukleozid-trifoszfát koncentrációja megzavarodik. A változások jelentős része a DNS-molekulákban is bekövetkezik a purinbázisok - adenin és guanin elvesztésével (apurinizáció) - járó spontán folyamatok vagy a citozin dezaminációja következtében, amely uracillá alakul át. Az utolsó változások gyakorisága eléri a 100-at 1 genomonként/nap.
A DNS-ben lévő bázisok megváltozhatnak a normális párosításukat megzavaró reaktív vegyületek, valamint ultraibolya sugárzás hatására, ami kovalens kötés kialakulását idézheti elő a DNS két szomszédos timincsoportja között (timin dimerek). Ezek a változások a következő replikációs ciklusban vagy a bázispárok elvesztéséhez vezetnek a leány-DNS-ben, vagy egyes párok kicserélődését másokkal. Ezek a változások végigkísérik a DNS-replikáció minden ciklusát, de gyakoriságuk sokkal kisebb, mint kellene. Ez azzal magyarázható, hogy a legtöbb ilyen jellegű változás az eredeti DNS-nukleotid szekvencia javítási (molekuláris helyreállítása) mechanizmusának hatására megszűnik.
A javítási mechanizmus két komplementer lánc jelenlétén alapul a DNS-molekulában. Az egyikben a nukleotidszekvencia torzulását specifikus enzimek észlelik. Ezután a megfelelő helyet eltávolítják, és egy újjal helyettesítik, amely a második komplementer DNS-szálon szintetizálódik. Az ilyen javítást excisionálisnak nevezik, azaz. „vágással” (15. ábra). Ezt a következő replikációs ciklus előtt hajtják végre, ezért pre-replikatívnak is nevezik.
14. ábra. A korrekciós folyamat vázlata a DNS szintézis során:
A citoein módosított (tautomer) formájával rendelkező nukleotid I-befoglalása a DNS-láncban, amely "illegálisan" párosul az adeninnel; II - a citozin gyors átalakulása normál formájába megzavarja az adeninnel való párosítását; a szintetizált lánc párosítatlan 3"-OH-vége megakadályozza annak további megnyúlását a DNS polimeráz hatására; III - a DNS polimeráz eltávolítja az illegális nukleotidot, aminek eredményeként a templáttal párosított 3"-OH-vég újra megjelenik; IV - A DNS-polimeráz továbbra is kiterjeszti a láncot a 3'-OH-végen.
Az eredeti DNS-struktúra helyreállításához számos enzim részvétele szükséges. A javítási mechanizmus elindításának fontos pontja a DNS-szerkezet hibájának észlelése. Gyakran előfordulnak ilyen hibák az újonnan szintetizált szálban a replikáció során. A javító enzimeknek pontosan ezt a láncot kell kimutatniuk. Sok élőlényfajban az újonnan szintetizált DNS-lánc eltér a nitrogénbázisok anyai metilációs fokától, ami elmarad a szintézistől. Ebben az esetben a metilálatlan lánc javításon megy keresztül. A javító enzimek felismerésének tárgya a DNS-lánc megszakadása is lehet. A magasabb rendű élőlényekben, ahol a DNS-szintézis nem folyamatosan, hanem egyedi replikonok útján megy végbe, az újonnan szintetizált DNS-lánc megszakad, ami lehetővé teszi annak felismerését. A DNS szerkezetének helyreállítása az egyik lánc purinbázisának elvesztése esetén magában foglalja a hiba kimutatását az endonukleáz enzim segítségével, amely megszakítja a foszfoészter kötést a lánc károsodásának helyén. Ezután a megváltozott helyet több szomszédos nukleotiddal az exonukleáz enzim eltávolítja, és a helyére a komplementer lánc bázisainak sorrendjének megfelelően kialakul a megfelelő nukleotidszekvencia (15. ábra).
15. ábra. Az excíziós, pre-replikatív DNS-javítás sémája.
Amikor a DNS-láncban valamelyik bázis megváltozik, az eredeti szerkezet helyreállításában mintegy 20 DNS-glikoziláz enzim vesz részt, amelyek specifikusan felismerik a bázisok dezaminációja, alkilezése és egyéb szerkezeti átalakulásai által okozott károsodásokat. Az ilyen módosított bázisokat eltávolítjuk. Vannak olyan területek, amelyekben nem találhatók bázisok, amelyeket megjavítanak, akárcsak a purinok elvesztését. Ha a normál szerkezet helyreállítását nem hajtják végre, például nitrogéntartalmú bázisok dezaminálása esetén, néhány komplementer bázispárt másokkal helyettesítenek - a C-G pár helyettesíthető T-A párral stb. .
A polinukleotid láncokban az UV sugarak hatására létrejövő timin dimerek (T-T) kialakulásához olyan enzimek részvétele szükséges, amelyek nem az egyes megváltozott bázisokat ismerik fel, hanem a DNS szerkezetének kiterjedtebb károsodását. A reparatív folyamat ebben az esetben a dimert hordozó hely eltávolításával és a komplementer DNS-szálon történő szintézissel a normál nukleotidszekvencia helyreállításával is összefügg.
Abban az esetben, ha a kivágás javító rendszer nem korrigálja az egyik DNS-szálban bekövetkezett változást, ez a változás a replikáció során rögzül, és mindkét DNS-szál tulajdonává válik. Ez a komplementer nukleotidok egyik párjának egy másikkal való helyettesítéséhez, vagy az újonnan szintetizált láncban a megváltozott régiókkal szembeni szakadások (rések) megjelenéséhez vezet. A normál DNS-struktúra helyreállítása a replikáció után is megtörténhet.
A posztreplikatív javítás két újonnan képződött DNS kettős hélix közötti rekombinációval (fragmensek cseréje) történik. Ilyen posztreplikatív javítás például a normál DNS-struktúra helyreállítása, amikor a timin dimerek (T-T) megjelennek, amikor nem spontán eliminálódnak látható fény hatására (fényreparáció), vagy a replikációs kivágás előtti javítás során.
A szomszédos timincsoportok között létrejövő kovalens kötések nem képesek komplementer nukleotidokhoz kötődni. Ennek eredményeként az újonnan szintetizált DNS-szálban a javító enzimek által felismert törések (rések) jelennek meg. Az egyik leány-DNS új polinukleotid láncának integritásának helyreállítása a másik leány-DNS megfelelő normál anyai láncával való rekombináció következtében történik. Az anyaláncban képződött rést ezután a komplementer polinukleotid láncon történő szintézis tölti be (16. ábra). A testvérkromatidák közötti, gyakran megfigyelt anyagcsere (17. ábra) egy ilyen posztreplikatív helyreállítás megnyilvánulásaként tekinthető, amelyet két leány-DNS-molekula láncai közötti rekombináció hajt végre.
16. ábra. A posztreplikatív DNS-javítás diagramja:
I - timin-dimer előfordulása az egyik DNS-szálban;
II - "rés" kialakulása az újonnan szintetizált szálban a szülőmolekula megváltozott régiójával szemben a replikáció után (a nyíl jelzi a "rés" későbbi kitöltését a második leány-DNS-molekula megfelelő szálából származó régióval) ;
III - a felső molekula leányláncának integritásának helyreállítása a rekombináció következtében és az alsó molekulában a komplementer láncon történő szintézis miatt
17. ábra. Interchromatid cserék (nyilakkal jelölve)
A replikatív és posztreplikatív javítás során a DNS-szerkezet károsodásának nagy része helyreáll. Ha azonban túl sok károsodás következik be a sejt örökítőanyagában, és ezek egy része nem szűnik meg, akkor az indukálható (gerjesztett) javító enzimek rendszere (SOS-rendszer) bekapcsol. Ezek az enzimek kitöltik a hiányosságokat azáltal, hogy helyreállítják a szintetizált polinukleotid láncok integritását anélkül, hogy szigorúan betartanák a komplementaritás elvét. Ezért néha maguk a javítási folyamatok is forrásként szolgálhatnak a DNS szerkezetében bekövetkező tartós változásokhoz (mutációkhoz). A megnevezett reakció az SOS rendszerre is vonatkozik.
Ha a sejtben a folyamatos javítás ellenére a DNS-szerkezet károsodásának mértéke magas marad, a DNS-replikáció folyamatai blokkolódnak benne. Az ilyen sejt nem osztódik, ami azt jelenti, hogy a keletkezett változásokat nem adja át az utódoknak.
A sejtciklus DNS-károsodás okozta leállása, a megváltozott örökítőanyag molekuláris helyreállításának lehetetlenségével kombinálva egy olyan fehérje részvételével, amelynek szintézisét a p53 gén szabályozza, az önmegtartóztatás folyamatának aktiválásához vezethet. - a hibás sejt elpusztítása (apoptózisa) annak a szervezetből való eltávolítása érdekében.
Így a különféle javító enzimek kiterjedt készlete végzi el a DNS folyamatos "vizsgálatát", eltávolítja róla a sérült területeket, és segít megőrizni az örökítőanyag stabilitását. A replikációs enzimek (DNS polimeráz és szerkesztő endonukleáz) és a javító enzimek együttes működése meglehetősen alacsony hibaarányt biztosít a DNS-molekulákban, amelyet genomonként 1 × 10 -9 pár megváltozott nukleotid szinten tartanak. 3 × 10 9 bázispár humán genomméret esetén ez körülbelül 3 hibát jelent replikáló genomonként. Ugyanakkor már ez a szint is elegendő jelentős genetikai diverzitás kialakulásához génmutációk formájában a földi élet fennállása során.
4.2.3 Változások a DNS-nukleotid szekvenciákban.
A gének kémiai szerkezetének korrigálatlan változásait, amelyek az egymást követő replikációs ciklusokban reprodukálódnak, és az utódokban a tulajdonságok új változatai formájában nyilvánulnak meg, génmutációnak nevezzük.
A gént alkotó DNS-szerkezet változásai három csoportra oszthatók. Az első csoport mutációi abból állnak, hogy egyes bázisokat másokkal helyettesítenek. A spontán bekövetkező génváltozások körülbelül 20%-át teszik ki. A mutációk második csoportját egy kereteltolódás okozza, amely akkor következik be, amikor a génben lévő nukleotidpárok száma megváltozik. Végül a harmadik csoportot a génen belüli nukleotidszekvenciák sorrendjének megváltozásával (inverzió) kapcsolatos mutációk képviselik.
Mutációk a nitrogénbázisok helyettesítésének típusa szerint. Ezek a mutációk számos konkrét okból következnek be. Az egyik a DNS-hélixben már benne lévő bázis szerkezetének megváltozása lehet, amely véletlenül vagy meghatározott kémiai ágensek hatására következik be. Ha a bázis egy ilyen módosult formája a javító enzimek számára észrevétlen marad, akkor a következő replikációs ciklus során újabb nukleotidot kapcsolhat magához. Ilyen például a citozin dezaminálása, amely spontán vagy salétromsav hatására uracillá alakul (18. ábra). A keletkező uracil, amelyet a DNS-glikoziláz enzim nem észlel, a replikáció során adeninnel egyesül, amely ezt követően a timidil-nukleotidhoz kapcsolódik. Ennek eredményeként a DNS-ben a C-G párt a T-A pár helyettesíti (19. ábra, I). A metilált citozin dezaminálása timinné alakítja (lásd 3.18. ábra). A timidil-nukleotidot, amely a DNS természetes összetevője, a javító enzimek nem észlelik változásként, és a következő replikáció során hozzáad egy adenil-nukleotidot. Ennek eredményeként a C-G pár helyett a T-A pár is megjelenik a DNS molekulában (19. ábra, II).
18. ábra. A citozin spontán dezaminációja
A bázisok szubsztitúciójának másik oka lehet, hogy a szintetizált DNS-láncba a bázis vagy annak analógja kémiailag módosított formáját hordozó nukleotid hibásan szerepel. Ha ezt a hibát a replikációs és javító enzimek nem veszik észre, a megváltozott bázis bekerül a replikációs folyamatba, ami gyakran az egyik pár kicseréléséhez vezet. Példa erre egy nukleotid 5-brómuracillal (5-BU) történő kapcsolódása, hasonlóan a timidil-nukleotidhoz, az anyai lánc adeninéhez a replikáció során. A későbbi replikáció során az 5-BU könnyebben kötődik magához, nem az adenint, hanem a guanint. A guanin további megkettőződése során komplementer párt alkot a citozinnal. Ennek eredményeként a DNS-molekulában az A-T párt a G-C pár helyettesíti (20. ábra).
Rizs. 19. Mutációk a bázisszubsztitúció típusa szerint (nitrogénbázisok dezaminálása a DNS-láncban):
I - citozin átalakítása uracillá, a C-G-pár helyettesítése T-A-párral;
II - metil-citozin átalakítása timinné, a C-G-pár helyettesítése T-A-párral
A fenti példákból látható, hogy a DNS-molekula szerkezetében a bázisszubsztitúció típusa miatt bekövetkező változások akár a replikáció előtt, akár a replikáció során, kezdetben egy polinukleotid láncban következnek be. Ha az ilyen változásokat a javítás során nem korrigálják, akkor a későbbi replikáció során mindkét DNS-szál tulajdonává válnak.
Rizs. 20. Mutációk a bázisszubsztitúció típusa szerint (nitrogéntartalmú bázisanalóg bevonása a DNS-replikációba)
Az egyik komplementer nukleotidpár másikkal való helyettesítésének következménye, hogy a peptidláncban található aminosavszekvenciát kódoló DNS-nukleotid szekvenciában új triplett képződik. Ez nem feltétlenül befolyásolja a peptid szerkezetét, ha az új triplet "szinonimája" az előzőnek, pl. ugyanazt az aminosavat fogja kódolni. Például a valin aminosav négy hármasával van titkosítva: CAA, CAG, CAT, CAC. A harmadik bázis cseréje ezen hármasok bármelyikében nem változtatja meg a jelentését (a genetikai kód degeneráltsága).
Abban az esetben, ha az újonnan keletkezett hármas egy másik aminosavat kódol, megváltozik a peptidlánc szerkezete és a megfelelő fehérje tulajdonságai. A pótlás jellegétől és helyétől függően a fehérje specifikus tulajdonságai különböző mértékben változnak. Ismertek olyan esetek, amikor egy peptidben csak egy aminosav pótlása jelentősen befolyásolja a fehérje tulajdonságait, ami összetettebb tulajdonságok változásában nyilvánul meg. Példa erre a humán hemoglobin tulajdonságainak változása sarlósejtes vérszegénységben (21. ábra). Az ilyen hemoglobin- (HbS) (a normál HbA-val ellentétben) - a p-globin láncokban a hatodik pozícióban a glutaminsavat valin helyettesíti. Ez annak a következménye, hogy a glutaminsavat (CTT vagy CTC) kódoló tripletben az egyik bázis kicserélődik. Ennek eredményeként megjelenik egy valint titkosító triplet (CAT vagy CAC). Ebben az esetben a peptidben egy aminosav pótlása jelentősen megváltoztatja a hemoglobin részét képező globin tulajdonságait (csökken a 02-hez való kötődési képessége), az embernél sarlósejtes vérszegénység jelei alakulnak ki.
Egyes esetekben az egyik bázis helyettesítése egy másikkal az egyik értelmetlen hármas (ATT, ATC, ACT) megjelenéséhez vezethet, amely nem kódol egyetlen aminosavat sem. Az ilyen helyettesítés következménye a peptidlánc szintézisének megszakadása lesz. Becslések szerint egy hármas nukleotid szubsztitúciója az esetek 25%-ában szinonim hármasok kialakulásához vezet; 2-3 - értelmetlen hármasban, 70 - 75%-ban - valódi génmutációk előfordulásához.
Így a bázisszubsztitúciós mutációk létrejöhetnek egy már létező DNS kettős hélix egyik szálában bekövetkező spontán bázisszerkezet-változások eredményeként, valamint egy újonnan szintetizált szál replikációja során. Ha ezeket a változtatásokat a javítás során nem korrigálják (vagy éppen ellenkezőleg, a javítás során következnek be), akkor mindkét láncban rögzítésre kerülnek, majd a következő replikációs ciklusokban reprodukálódnak. Ezért az ilyen mutációk egyik fontos forrása a replikációs és javítási folyamatok megsértése.
Mutációk az olvasási keret eltolódásával. Ez a fajta mutáció a spontán mutációk jelentős részét teszi ki. Ezek egy vagy több komplementer nukleotidpár elvesztése vagy beépülése miatt fordulnak elő a DNS-nukleotid szekvenciába. A legtöbb vizsgált kereteltolásos mutációt azonos nukleotidokból álló szekvenciákban találták meg.
A DNS-láncban a nukleotidpárok számának változását bizonyos vegyi anyagok, például az akridinvegyületek genetikai anyagára gyakorolt hatása segíti elő. A DNS kettős hélix szerkezetének deformálásával további bázisok beépüléséhez vagy azok elvesztéséhez vezetnek a replikáció során. Példa erre a T4 fágban a proflavin hatásának kitett mutációk. Csak egy nukleotidpár felvételéből vagy eltávolításából állnak. A génben lévő nukleotidpárok számának a nagy osztódások (falloutok) típusa szerinti változásának fontos oka lehet a röntgensugárzás. A gyümölcslégyben például ismert a szem színét szabályozó gén mutációja, amelyet besugárzás okoz, és körülbelül 100 nukleotidpárból álló osztódásból áll.
21. ábra. Egy aminosav szubsztitúció pleiotróp hatása a humán hemoglobin β-láncában, ami sarlósejtes vérszegénység kialakulásához vezet
Nagyszámú inszerciós típusú mutáció lép fel a mobil genetikai elemek, transzpozonok nukleotidszekvenciába való beépülése miatt. A transzpozonok meglehetősen hosszú nukleotidszekvenciák, amelyek az eu- és prokarióta sejtek genomjába épülnek be, és spontán módon megváltoztathatják helyzetüket. Bizonyos valószínűséggel inszerciók és felosztások következhetnek be a rekombinációs hibák eredményeként egyenlőtlen intragenikus keresztezéssel (22. ábra).
22. ábra. Frameshift mutációk (egyenlőtlen csere intragenikus keresztezéssel):
I - az allélgének megszakadása a különböző területeken és a fragmentumok cseréje közöttük;
II - a 3. és 4. nukleotidpár elvesztése, az olvasási keret eltolódása;
III - a 3. és 4. nukleotidpár megkétszerezése, az olvasási keret eltolása
23. ábra. A DNS-molekulában lévő nukleotidpárok számának változásának következménye
A leolvasási keret eltolódása egy nukleotidnak a kodogén láncba való beillesztésével a benne kódolt peptid összetételének megváltozásához vezet.
Az olvasás folytonossága és a genetikai kód átfedésének hiánya mellett a nukleotidok számának változása általában az olvasási keret eltolódásához és az adott DNS-szekvenciában rögzített biológiai információ jelentésének megváltozásához vezet. 23). Ha azonban az inszertált vagy elveszett nukleotidok száma háromszoros, akkor előfordulhat, hogy a kereteltolódás nem következik be, de ez további aminosavak beépülését vagy egyes aminosavak elvesztését eredményezi a polipeptidláncból. A kereteltolódás lehetséges következménye az értelmetlen csíkok megjelenése, ami lerövidült peptidláncok szintéziséhez vezet.
Mutációk a génben lévő nukleotidszekvenciák inverziójának típusa szerint. Ez a fajta mutáció egy DNS-szakasz 180°-os elfordulása miatt következik be. Általában ezt előzi meg egy hurok kialakítása a DNS-molekula által, amelyen belül a replikáció a megfelelővel ellentétes irányban halad.
Az invertált régión belül az információolvasás zavart okoz, ennek következtében megváltozik a fehérje aminosavsorrendje.
4.2.4 A változékonyság elemi egységei genetikai anyag. Mouton. Recon
A gén az örökítőanyag funkciójának elemi egysége. Ez azt jelenti, hogy a DNS-molekula egy-egy egyedi génnek megfelelő fragmentuma, amely a benne található biológiai információknak köszönhetően meghatározza egy adott tulajdonság kialakulásának lehetőségét, funkcionális értelemben tovább oszthatatlan. A fentebb vázolt génmutációkra vonatkozó információk jelzik a kémiai szerkezetben bekövetkezett olyan változások jelentőségét, amelyek nem a teljes gént, hanem annak egyes szakaszait érintik, amelyek következtében a tulajdonság új változatai jelennek meg.
Az örökletes anyag minimális mennyisége, amely megváltoztatásakor egy tulajdonság variánsainak megjelenéséhez vezethet, megfelel a mutációs folyamat elemi egységének, és mutonnak nevezik. A fentebb tárgyalt génmutációs példák azt mutatják, hogy elegendő egy pár komplementer bázis helyettesítése egy génben ahhoz, hogy megváltoztassuk az általa kódolt fehérje tulajdonságait. Így egy muton egy pár komplementer nukleotidnak felel meg.
A génmutációk egy része a nukleotidpárok inszerciói és deléciói típusa szerint a DNS-molekulák közötti egyenlőtlen csere miatt következik be a keresztezés során, pl. megsértve a köztük lévő rekombinációt. Ezt a leolvasási keret eltolódása kíséri, és a kívánt tulajdonságokkal rendelkező peptidlánc szintézisének megzavarásához vezet. A megfigyelések azt mutatják, hogy egy nukleotidpár inszerciója vagy deléciója elegendő a génben rögzített biológiai információ eltorzításához. Az elmondottakból az következik, hogy a rekombináció elemi egysége, a rekon molekuláris szinten egy nukleotidpárnak felel meg.
A nukleotidszekvenciák spontán vagy különféle külső hatások hatására bekövetkező változásai oda vezetnek, hogy ugyanaz a gén több változatban is létezhet, amelyek a bennük lévő biológiai információkban különböznek egymástól. A génnek azt a sajátos létezési formáját, amely meghatározza egy adott tulajdonság specifikus változatának kialakulásának lehetőségét, allélnek nevezzük. Egy gén alléljai egy bizonyos kromoszóma ugyanabban a régiójában - egy lókuszban - találhatók, amely általában egyidejűleg csak egy allélt tartalmazhat. Ez az allélokat alternatív (egymást kizáró) lehetőséggé teszi egy gén létezésére.
A kémiai szerkezet változásai a gén különböző régióiban fordulhatnak elő. Ha összeegyeztethetőek az élettel, pl. nem vezetnek sejtek vagy organizmusok halálához - ezek a mutációk hordozói, mindegyik a faj génállományában tárolódik.
Ha egy faj génállományában egyidejűleg egy gén különböző alléljai vannak jelen, azt többszörös allélizmusnak nevezzük. Példa erre a gyümölcslégy különböző szemszínei: fehér, cseresznye, piros, sárgabarack, eozin, a megfelelő gén eltérő alléljai miatt. Az emberben, akárcsak a szerves világ más képviselőiben, a többszörös allelizmus számos génre jellemző. Tehát az I gén három allélja határozza meg a vércsoportot az AB0 rendszer szerint (I A, I B, I 0). Az Rh-tartozást meghatározó génnek két allélja van. Több mint száz allél rendelkezik a hemoglobin α- és β-polipeptidjeinek génjével.
A többszörös allélizmus oka a gén szerkezetének véletlenszerű változásai (mutációk), amelyek a természetes szelekció során megmaradnak a populáció génállományában. Az ivaros szaporodás során rekombináló allélok diverzitása meghatározza az adott faj képviselői között a genotípusos diverzitás mértékét, ami nagy evolúciós jelentőségű, növeli a populációk életképességét a változó létfeltételek mellett. Az evolúciós és ökológiai jelentősége mellett a gének allélállapota nagyban befolyásolja a genetikai anyag működését. Az eukarióta szervezetek diploid szomatikus sejtjeiben a legtöbb gént két allél képviseli, amelyek együttesen befolyásolják a tulajdonságok kialakulását.
4.2.5 A génmutációk funkcionális osztályozása
A gén szerkezetében bekövetkező változások általában kedvezőtlenek, csökkentik a sejt, szervezet életképességét (káros mutációk), néha halálukhoz vezetnek (halálos mutációk). A ritkán előforduló mutációk nem befolyásolják jelentősen hordozóik életképességét, ezért semlegesnek minősülnek. Végül pedig rendkívül ritkán jelennek meg a jótékony hatású allélek (jótékony mutációk), amelyek hordozóik számára előnyös túlélést biztosítanak. A legtöbb esetben a gén újonnan felbukkant allélja recesszív módon működik a természetben elterjedt "vad" típusú allélhoz képest, pl. nem jelenik meg vele együtt. De néha egy gén mutáns formája lehet domináns, pl. elnyomja a populáció génállományában gyakoribb "vad" allél megnyilvánulását.
4.2.6 A káros hatásokat csökkentő mechanizmusok génmutációk
A génmutációk hatására megváltozik a biológiai információ jelentése. Ennek kettős következményei lehetnek. Kevéssé változó környezetben az új információk általában csökkentik a túlélést. A létfeltételek éles változásával, egy új ökológiai rés kialakulásával hasznos a különféle információk elérhetősége. E tekintetben a mutációs folyamat intenzitása természetes körülmények között olyan szinten marad, amely nem okoz katasztrofális csökkenést a faj életképességében. A mutációk káros hatásainak korlátozásában fontos szerepe van az evolúció során kialakult antimutációs mechanizmusoknak.
E mechanizmusok közül néhányat fentebb tárgyaltunk. A DNS-polimeráz működésének sajátosságairól beszélünk, amely a DNS-replikáció során kiválasztja a szükséges nukleotidokat, és egy új DNS-szál képződése során önkorrekciót végez, egy szerkesztő endonukleázzal együtt. Részletesen elemezzük a DNS szerkezet javításának különböző mechanizmusait, valamint a genetikai kód degenerációjának szerepét. A probléma megoldása a biológiai kód triplettje, amely lehetővé teszi a minimális számú helyettesítést a tripletten belül, ami információtorzuláshoz vezet. Így a harmadik nukleotid szubsztitúcióinak 64%-a hármasokban nem változtatja meg a szemantikai jelentését. Igaz, a második nukleotid 100%-os helyettesítése a triplett jelentésének torzulásához vezet.
Az eukarióta szomatikus sejtek diploid kariotípusában a kromoszómák párosítása védőfaktorként szolgál a génmutációk káros következményei ellen.
A gének alléljainak párosítása megakadályozza a mutációk fenotípusos megnyilvánulását, ha azok recesszívek.
A génmutációk káros hatásainak mérsékléséhez bizonyos mértékben hozzájárul a létfontosságú makromolekulákat kódoló gének extramásolásának jelensége. Ez abból áll, hogy a genotípusban több tíz, néha több száz azonos másolat található ilyen génekből. Ilyen például az rRNS, tRNS, hisztonfehérjék génjei, amelyek nélkül egyetlen sejt élettevékenysége sem lehetséges.
Extrakópiák jelenlétében egy vagy akár több azonos gén mutációs változása nem jár katasztrofális következményekkel a sejtre nézve. A változatlan másolatok elegendőek a normál működés biztosításához.
A polipeptid aminosav-szubsztitúcióinak funkcionális inekvivalenciája szintén lényeges. Ha az új és a helyettesített aminosavak fizikai-kémiai tulajdonságaiban hasonlóak, akkor a fehérje harmadlagos szerkezetében és biológiai tulajdonságaiban bekövetkező változások elenyészőek.
Így a mutáns humán HbS és HbC hemoglobinok abban különböznek a normál HbA hemoglobintól, hogy a 6. pozícióban lévő glutaminsav p-láncot valinra vagy lizinre cserélik. Az első csere drámaian megváltoztatja a hemoglobin tulajdonságait, és súlyos betegség - sarlósejtes vérszegénység - kialakulásához vezet.
A második pótlással a hemoglobin tulajdonságai sokkal kisebb mértékben változnak.
Ezeknek a különbségeknek az az oka, hogy a glutaminsav és a lizin hasonló hidrofil tulajdonságokat mutat, míg a valin egy hidrofób aminosav.
Így ezek a mechanizmusok hozzájárulnak az evolúció során kiválasztott gének megőrzéséhez, és ezzel egyidejűleg különböző alléljaik felhalmozódásához egy populáció génállományában, így az örökletes variabilitás tartalékát képezik. Ez utóbbi határozza meg a populáció nagy evolúciós plaszticitását, i.e. a túlélés képessége különféle körülmények között.
4.3 Genetikai információ felhasználása életfolyamatokban
4.3.1. Az RNS szerepe az öröklődő információk realizálásában
A genetikai kód segítségével megírt örökletes információk DNS-molekulákban raktározódnak és szaporodnak, hogy az újonnan képződött sejteket megkapják a normális fejlődésükhöz és működésükhöz szükséges "utasításokat". Ugyanakkor a DNS közvetlenül nem vesz részt a sejtek életfenntartásában. A közvetítő szerepét, amelynek feladata a DNS-ben tárolt örökletes információ működő formába fordítása, a ribonukleinsavak - RNS - töltik be.
A DNS-molekulákkal ellentétben a ribonukleinsavakat egy polinukleotid lánc képviseli, amely négyféle nukleotidból áll, amelyek cukrot, ribózt, foszfátot és a négy nitrogénbázis egyikét - adenint, guanint, uracilt vagy citozint - tartalmazzák. Az RNS-t DNS-molekulákon szintetizálják RNS-polimeráz enzimek segítségével a komplementaritás és az antiparallelizmus elvének megfelelően, az uracil pedig komplementer a DNS-adeninnel az RNS-ben. A sejtben ható RNS-ek teljes változata három fő típusra osztható: mRNS, tRNS, rRNS.
Mátrix, vagy információ, RNS (mRNS vagy mRNS). Átírás. A kívánt tulajdonságokkal rendelkező fehérjék szintetizálása érdekében „utasítás” érkezik az aminosavak peptidláncba való beépítésének sorrendjére. Ezt az utasítást a megfelelő DNS régiókban szintetizált mátrix vagy információs RNS (mRNS, mRNS) nukleotidszekvenciája tartalmazza. Az mRNS szintézis folyamatát transzkripciónak nevezik.
Az mRNS szintézise azzal kezdődik, hogy az RNS polimeráz felfedez egy speciális helyet a DNS-molekulában, amely jelzi a transzkripció kezdetének helyét - a promotert. A promoterhez való kapcsolódás után az RNS-polimeráz letekerteti a DNS-hélix szomszédos fordulatát. Ezen a ponton két DNS-szál válik szét, és az egyiken az enzim mRNS-t szintetizál. A ribonukleotidok láncba építése a DNS-nukleotidokkal való komplementaritásuknak megfelelően, valamint a templát DNS-lánccal antiparallel módon történik. Tekintettel arra, hogy az RNS-polimeráz csak az 5'-végétől a 3'-végéig képes polinukleotidot összeállítani, a két DNS-szál közül csak az egyik szolgálhat templátként a transzkripcióhoz, mégpedig az, amelyik az enzimmel szemben áll. ' vége ( 3 "→ 5"). Az ilyen láncot kodogénnek nevezzük (3.24. ábra) A DNS-molekulában két polinukleotid lánc kapcsolódásának antiparallelizmusa lehetővé teszi az RNS-polimeráz számára, hogy megfelelően válassza ki a templátot az mRNS-szintézishez.
A kodogén DNS-lánc mentén haladva az RNS-polimeráz fokozatosan, precízen átírja az információkat, amíg nem találkozik egy specifikus nukleotidszekvenciával - egy transzkripciós terminátorral. Ebben a régióban az RNS-polimeráz mind a DNS-templáttól, mind az újonnan szintetizált mRNS-től elválik (25. ábra). A DNS-molekula egy fragmentuma, amely magában foglal egy promotert, egy átírt szekvenciát és egy terminátort, egy transzkripciós egységet – egy transzkripciót – képez.
A szintézis során, ahogy az RNS-polimeráz a DNS-molekula mentén mozog, a DNS egyszálú szakaszai, amelyeken áthaladt, ismét kettős hélixté egyesülnek. A transzkripció során képződött mRNS a DNS megfelelő szakaszában rögzített információk pontos másolatát tartalmazza. Három szomszédos mRNS-nukleotidot, amelyek aminosavakat kódolnak, kodonoknak nevezünk. Az mRNS kodonszekvencia a peptidlánc aminosav-szekvenciáját kódolja. Az mRNS kodonok bizonyos aminosavaknak felelnek meg (1. táblázat).
1. táblázat: Az mRNS genetikai kódja (a terminátor kodonok aláhúzva vannak). Második nukleotid
| Nál nél | C | A | G | ||||||||
24. ábra. mRNS szintézis séma
Az mRNS-transzkripció templátja a kodogén DNS-szál, amely az enzimmel szemben a 3-terminálisával
Rizs. 25. Az RNS polimeráz szerepe a transzkripcióban:
I - a promoter régió kimutatása a DNS-molekulában és a DNS-hélix feltekercselése; II - az RNS-lánc szintézisének beindítása az első két ribonukleozid-grifoszfát megkötésével; III - az RNS-lánc meghosszabbítása 5 "→ 3" irányban ribonukleozid-grifoszfátok kapcsolásával; IV - a szintetizált RNS 5" végének felszabadítása és a DNS kettős hélix helyreállítása; V - az RNS szintézis befejezése a terminátor régióban, a polimeráz elválasztása a teljes RNS-lánctól
Transzfer RNS (tRNS). Adás. A transzfer RNS (tRNS) fontos szerepet játszik abban a folyamatban, hogy a sejt felhasználja az örökletes információkat. A tRNS transzlációs közvetítőként működik, a szükséges aminosavakat a peptidláncok gyülekezési helyére juttatva.
A tRNS-molekulák specifikus DNS-szekvenciákon szintetizált polinukleotid láncok. Viszonylag kis számú nukleotidból állnak - 75-95. A tRNS polinukleotid láncának különböző részein elhelyezkedő bázisok komplementer kapcsolódása eredményeként lóherelevélre emlékeztető szerkezetet nyer (26. ábra).
26. ábra. Egy tipikus tRNS-molekula szerkezete
Négy fő részből áll, amelyek különböző funkciókat látnak el. Az akceptor "szárat" a tRNS két, egymással komplementer módon összekapcsolt terminális része alkotja. Hét bázispárból áll, ezeknek az ágaknak a közepe - az antikodon - öt pár nukleotidból áll, és a hurkának közepén egy antikodont tartalmaz.Az antikodon három nukleotidból áll, amely komplementer az mRNS kodonnal, amely az általa szállított aminosavat kódolja. ezt a tRNS-t a peptidszintézis helyére.
Az akceptor és az antikodon ágak között két oldalág található. A hurkokban módosított bázisokat tartalmaznak - dihidrouridint (D-hurok) és a TψC triplettet, ahol y pszeudouriain (T^C-hurok). Az aiticodon és a T^C elágazások között van egy további hurok, amely 3-5-13-21 nukleotidot tartalmaz.
Általánosságban elmondható, hogy a tRNS különböző típusait a nukleotidszekvencia bizonyos állandósága jellemzi, amely legtöbbször 76 nukleotidból áll. Számuk eltérése elsősorban a további hurokban lévő nukleotidok számának változásából adódik. A tRNS szerkezetét támogató komplementer régiók általában konzerváltak. A tRNS elsődleges szerkezete, amelyet a nukleotidok sorrendje határoz meg, a tRNS másodlagos szerkezetét alkotja, amely lóhere levél alakú. A másodlagos szerkezet viszont meghatározza a háromdimenziós harmadlagos szerkezetet, amelyet két egymásra merőleges kettős spirál kialakulása jellemez (27. ábra). Az egyiket az akceptor és a TψC ágak, a másikat az antikodon és a D ágak alkotják.
Az egyik kettős hélix végén a szállított aminosav, a másik végén az antikodon található. Ezek a területek vannak a legtávolabb egymástól. A tRNS harmadlagos szerkezetének stabilitását a polinukleotid lánc különböző részein elhelyezkedő, de a tercier szerkezetben térben közeli bázisai között további hidrogénkötések megjelenése tartja fenn.
A különböző típusú tRNS-ek hasonló harmadlagos szerkezettel rendelkeznek, bár bizonyos eltérésekkel.
27. ábra. A tRNS térbeli szerveződése:
I - a tRNS másodlagos szerkezete "lóherelevél" formájában, amelyet elsődleges szerkezete (a lánc nukleotidjainak szekvenciája) határoz meg;
II - a tRNS harmadlagos szerkezetének kétdimenziós vetülete;
III - a tRNS-molekula elrendezése a térben
A tRNS egyik jellemzője a szokatlan bázisok jelenléte, amelyek kémiai módosítás eredményeként keletkeznek, miután egy normál bázist beépítettek a polinukleotid láncba. Ezek a megváltozott bázisok meghatározzák a tRNS-ek nagy szerkezeti diverzitását szerkezetük általános tervében. A legérdekesebbek az antikodont alkotó bázisok módosításai, amelyek befolyásolják az antikodonnal való kölcsönhatás specifitását. Például az atipikus bázis inozin, amely néha a tRNS antikodon 1. pozíciójában található, képes komplementeren kombinálódni az mRNS három különböző harmadik bázisával - U, C és A (3.28. ábra). Mivel a genetikai kód egyik jellemzője a degeneráltsága (lásd a 3.4.1.2. fejezetet), sok aminosavat több kodon kódol, amelyek általában a harmadik bázisukban különböznek egymástól. A módosított antikodonbázis nem specifikus kötődése miatt egy tRNS több szinonim kodont is felismer.
28. ábra. Az inozin hidrogénkötése három különböző nitrogénbázishoz A hidrogénkötéseket pontok jelzik
Többféle tRNS létezését is megállapították, amelyek képesek ugyanahhoz a kodonhoz kötődni. Ennek eredményeként a sejtek citoplazmájában nem 61 (a kodonok száma szerint), hanem körülbelül 40 különböző tRNS-molekula található. Ez a mennyiség elegendő ahhoz, hogy 20 különböző aminosavat a fehérje-összeállító helyre szállítson.
Az mRNS-ben egy bizonyos kodon pontos felismerésének funkciója mellett a tRNS-molekula egy szigorúan meghatározott, ezzel a kodonnal kódolt aminosavat szállít a peptidlánc szintézisének helyére. A tRNS specifikus kapcsolódása "aminosavához" két szakaszban megy végbe, és egy aminoacil-tRNS nevű vegyület képződéséhez vezet (29. ábra).
29. ábra. Egy aminosav kapcsolódása a megfelelő tRNS-hez:
I - 1. szakasz, az aminosavak és az ATP kölcsönhatása a pirofoszfát felszabadulásával;
II - 2. szakasz, az adipált aminosav rögzítése az RNS 3"-os végéhez
Az első szakaszban az aminosavat úgy aktiválják, hogy a karboxilcsoportjával kölcsönhatásba lép az ATP-vel. Ennek eredményeként adipilált aminosav képződik.
A második szakaszban ez a vegyület kölcsönhatásba lép a megfelelő tRNS 3"-os végén található OH-csoporttal, és az aminosav ehhez kapcsolja karboxilcsoportját, AMP-t szabadítva fel. Ez a folyamat tehát a folyamat során nyert energiafelhasználással megy végbe. az ATP hidrolízise AMP-vé.
Az aminosav és a megfelelő antikodont hordozó tRNS kombinációjának specifitása az aminoacil-tRNS szintetáz enzim tulajdonságainak köszönhetően érhető el. A citoplazmában olyan enzimek egész halmaza található, amelyek képesek térben felismerni egyrészt aminosavukat, másrészt a megfelelő tRNS antikodont (3.30. ábra). A DNS-molekulákba "rögzített" és az mRNS-ben "újraírt" örökletes információ a transzláció során megfejtődik a molekulafelületek specifikus felismerésének két folyamata miatt. Először is, az aminoacil-tRNS szintetáz enzim biztosítja a tRNS és az általa szállított aminosav összekapcsolását. Az aminoacil-tRNS ezután komplementeren párosul az mRNS-sel antikodon-kodon kölcsönhatás révén. A tRNS rendszer segítségével az mRNS nukleotid lánc nyelve. lefordítva a peptid aminosavszekvenciájának nyelvére (30. ábra).
Riboszomális RNS (rRNS). A fehérjeszintézis riboszómális ciklusa. Az mRNS és a tRNS közötti kölcsönhatás folyamata, amely biztosítja az információknak a nukleotidok nyelvéből az aminosavak nyelvére történő fordítását, riboszómákon történik. Az utóbbiak rRNS és különféle fehérjék komplex komplexei, amelyekben az előbbiek vázat alkotnak. A riboszómális RNS-ek nem csak a riboszómák szerkezeti alkotóelemei, hanem egy specifikus mRNS nukleotidszekvenciához való kötődésüket is biztosítják. Ez beállítja a peptidlánc kialakulásának kezdő és leolvasási keretét. Ezenkívül kölcsönhatást biztosítanak a riboszóma és a tRNS között. Számos riboszómát alkotó fehérje az rRNS-sel együtt szerkezeti és enzimatikus szerepet is betölt.
30. ábra. A genetikai kód transzlációjának sémája: I - aminosav (triptofán) kapcsolódása a megfelelő tRNS-hez az aminoacil-tRNS szintetáz enzim segítségével; II - az aminosavát hordozó tRNS kötődése az mRNS-hez az antikodonjának az mRNS kodonhoz való kötődése miatt
A pro- és eukarióták riboszómái szerkezetükben és működésükben nagyon hasonlóak. Két részrészecskéből állnak: nagy és kicsi. Az eukariótákban a kis alegységet egy rRNS-molekula és 33 különböző fehérjemolekula alkotja. A nagy alegység három rRNS-molekulát és körülbelül 40 fehérjét egyesít. A prokarióta riboszómák, valamint a mitokondriális és plasztid riboszómák kevesebb komponenst tartalmaznak.
A riboszómák két barázdával rendelkeznek. Az egyik a növekvő polipeptidláncot, a másik az mRNS-t tartja. Ezenkívül két tRNS-kötő helyet izolálnak a riboszómákban. Az aminoacil-tRNS az aminoacil A-helyen található, és egy specifikus aminosavat hordoz. A peptidil, P-szekcióban általában található a tRNS, amely peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavlánccal van megterhelve. Az A- és P-helyek kialakítását a riboszóma mindkét alegysége biztosítja.
A riboszóma minden pillanatban megvéd egy körülbelül 30 nukleotid hosszúságú mRNS-szegmenst. Ez csak két tRNS kölcsönhatását biztosítja két szomszédos mRNS kodonnal (31. ábra).
Az információnak az aminosavak "nyelvére" történő fordítása a peptidlánc fokozatos felépítésében fejeződik ki, az mRNS-ben található utasításoknak megfelelően. Ez a folyamat a riboszómákon megy végbe, amelyek a szekvenciát biztosítják az információk tRNS segítségével történő megfejtéséhez. A transzláció során három fázis különböztethető meg: a peptidlánc szintézisének beindítása, megnyúlása és befejezése.
31. ábra. A tRNS-molekulák és a riboszóma kötőhelyei:
I - terheletlen riboszóma, II - töltött riboszóma; ak - aminosav
Az iniciációs fázis, vagyis a peptidszintézis kezdete abból áll, hogy két riboszóma-alrészecskét egyesítenek, amelyek korábban a citoplazmában egy bizonyos mRNS-helyen elkülönültek, és ehhez kapcsolják az első aminoacil-tRNS-t. Ez egyben beállítja az mRNS-ben található információ olvasásának keretét is (32. ábra).
Bármely mRNS molekulájában az 5"-os vége közelében található egy hely, amely komplementer a riboszóma kis alegységének rRNS-ével, és az általa specifikusan felismerhető. Mellette található az AUT indító startkodon, amely az aminot kódolja. savas metionin.A riboszóma kis alegysége úgy kapcsolódik az mRNS-hez, hogy az AUT startkodon a P-helynek megfelelő régióban helyezkedik el.Ugyanakkor csak a metionint hordozó iniciáló tRNS képes felvenni egy a kis alegység befejezetlen P-szakaszában helyezkedjen el, és komplementeren csatlakozik a startkodonhoz. A leírt esemény után a riboszóma nagy és kis alegységei egyesülve alkotják a peptidil- és aminoacil-területeit (3.32. ábra).
32. ábra. A fehérjeszintézis beindítása:
I - a riboszóma egy kis szubchapshchiájának összekapcsolása mRNS-sel, kapcsolódás a metionint hordozó tRNS startkodonjához, amely a befejezetlen P-helyen található; II - a riboszóma nagy és kis részecskéinek összekapcsolása P- és A-helyek kialakulásával; a következő szakasz a benne elhelyezkedő mRNS kodonnak megfelelő aminoacil-tRNS A-helyre kerülésével, az elongáció kezdetével társul; ak - aminosav
Az iniciációs fázis végére a P-helyet a metioninhoz kapcsolódó aminoacil-tRNS foglalja el, míg a riboszóma A-helye a startkodon mellett helyezkedik el.
A leírt transzlációs iniciációs folyamatokat speciális fehérjék - iniciációs faktorok - katalizálják, amelyek mozgathatóan kapcsolódnak a riboszóma egy kis alegységéhez. Az iniciációs fázis befejeződése és a riboszóma-mRNS-iniciáló aminoacil-tRNS komplex kialakulása után ezek a faktorok elválik a riboszómától.
Az elongációs fázis vagy a peptid elongáció magában foglal minden reakciót az első peptidkötés kialakulásától az utolsó aminosav kapcsolódásáig. Ez egy ciklikusan ismétlődő esemény, amelyben az A-helyen található következő kodon aminoacil-tRNS specifikus felismerése, az antikodon és a kodon közötti komplementer kölcsönhatás.
A tRNS háromdimenziós szerveződésének sajátosságai miatt, amikor antikodonja kapcsolódik az mRNS kodonhoz. az általa szállított aminosav az A-helyen, a korábban benne szereplő P-helyen található aminosav szomszédságában található. Két aminosav között peptidkötés jön létre, amelyet a riboszómát alkotó speciális fehérjék katalizálnak. Ennek eredményeként az előző aminosav elveszíti kapcsolatát tRNS-ével, és csatlakozik az A-helyen található aminoacil-tRNS-hez. Az ebben a pillanatban a P-helyen található tRNS felszabadul és a citoplazmába kerül (33. ábra). A peptidlánccal megtöltött tRNS mozgását az A helyről a P helyre a riboszóma előrehaladása kíséri az mRNS mentén, egy kodonnak megfelelő lépéssel. Most a következő kodon érintkezik az A hellyel, ahol specifikusan "felismeri" a megfelelő aminoacil-tRNS, amely oda helyezi el az aminosavát. Ezt az eseménysort addig ismételjük, amíg a riboszóma A-helye nem kap egy termináló kodont, amelyhez nem létezik megfelelő tRNS.
33. ábra. A fehérjeszintézis elongációs fázisa:
1. szakasz - aminoacil-tRNS csatlakozik az A-helyen található kodonhoz;
2. szakasz - az A- és P-helyen található aminosavak között peptidkötés jön létre: a P-helyen található tRNS felszabadul aminosavából, és elhagyja a riboszómát;
3. szakasz - a riboszóma az mRNS mentén egy kodonnal mozog, így a peptidlánccal feltöltött tRNS az A-helyről a P-helyre mozog; szabad A-helyet a megfelelő aminoacil-tRNS foglalhat el
34. ábra. A peptidlánc szintézis leállítása:
1. szakasz - a felszabadulási faktor rögzítése a stopkodonhoz;
2. szakasz - termináció, a kész peptid felszabadulása;
3. szakasz - a riboszóma disszociációja két részecske
A peptidlánc összeállítása a hőmérséklettől függően meglehetősen nagy sebességgel megy végbe. Baktériumokban 37 °C-on 12-17 aminosav 1 másodpercenkénti hozzáadásával fejeződik ki a szubdipeptidhez. Az eukarióta sejtekben ez az arány alacsonyabb, és két aminosav 1 másodpercen belüli hozzáadásával fejeződik ki.
A terminációs fázis vagy a polipeptid szintézis befejeződése ahhoz kapcsolódik, hogy egy specifikus riboszomális fehérje felismeri az egyik terminációs kodont (UAA, UAG vagy UGA), amikor az belép a riboszóma A-hely zónájába. Ebben az esetben a víz a peptidlánc utolsó aminosavához kapcsolódik, és a karboxil vége elválik a tRNS-től. Ennek eredményeként az elkészült peptidlánc elveszíti kapcsolatát a riboszómával, amely két részecske részre válik szét (34. ábra).
4.3.2 A szervezet és a kifejezés jellemzői genetikai információ pro- és eukariótákban
Az öröklődő és változékony anyag kémiai felépítése szerint az eukarióta és prokarióta sejtek alapvetően nem különböznek egymástól. Genetikai anyagukat a DNS képviseli. Közös bennük a genetikai információ rögzítésének elve, valamint a genetikai kód. Ugyanazok az aminosavak kódolódnak a pro- és eukariótákban, ugyanazokkal a kodonokkal. Elvileg a DNS-ben tárolt örökletes információ felhasználása az ilyen típusú sejtekben ugyanúgy történik. Először az mRNS-molekula nukleotidszekvenciájába íródik át, majd a tRNS részvételével a riboszómákon a peptid aminosavszekvenciájává transzlálódik. Azonban az örökletes anyag szerveződésének bizonyos jellemzői, amelyek megkülönböztetik az eukarióta sejteket a prokariótáktól, eltéréseket okoznak genetikai információik felhasználásában.
A prokarióta sejt örökítőanyagát főként egyetlen körkörös DNS-molekula tartalmazza. Közvetlenül a sejt citoplazmájában található, ahol a génexpresszióhoz szükséges tRNS-ek és enzimek is találhatók, amelyek egy részét a riboszómák tartalmazzák. A prokarióta gének teljes egészében kódoló nukleotidszekvenciákból állnak, amelyek a fehérjék, a tRNS vagy az rRNS szintézise során jönnek létre.
Az eukarióták örökítőanyaga nagyobb térfogatú, mint a prokariótáké. Főleg speciális nukleáris struktúrákban - kromoszómákban - található, amelyeket a nukleáris burok választ el a citoplazmától. A fehérjeszintézishez szükséges apparátus, amely riboszómákból, tRNS-ből, aminosavakból és enzimekből áll, a sejt citoplazmájában található.
Jelentős különbségek vannak az eukarióta sejtekben lévő gének molekuláris szerveződésében. Legtöbbjükben az exont kódoló szekvenciákat olyan intronrégiók szakítják meg, amelyeket nem használnak a tRNS, rRNS vagy peptidek szintézisében. Az ilyen régiók száma különböző génekben változik. Megállapítást nyert, hogy a csirke ovalbumin gén 7 intront tartalmaz, az emlős prokollagén gén pedig 50-et. Ezek a régiók eltávolíthatók az elsődleges átírt RNS-ből, ezért az eukarióta sejtekben a genetikai információ felhasználása némileg eltérően történik. Egy prokarióta sejtben, ahol az örökítőanyag és a fehérjebioszintézis berendezése térben nem különül el, a transzkripció és a transzláció szinte egyszerre megy végbe. Egy eukarióta sejtben ezt a két stádiumot nemcsak térben választja el a magburok, hanem időben is elválasztják az mRNS érési folyamatai, amelyekből a nem informatív szekvenciákat el kell távolítani (35. ábra).
Rizs. 35. A genetikai információ expressziós folyamatának általános sémája eukarióta sejtben
A genetikai információ kifejeződésének egyes szakaszaiban tapasztalható különbségeken túlmenően a pro- és eukariótákban e folyamatok lefolyásának néhány sajátossága is megfigyelhető.
Transzkripció pro- és eukariótákban. A transzkripció az RNS szintézise egy DNS-templáton. A prokariótákban mindhárom RNS-típus szintézisét egy komplex fehérjekomplex – az RNS-polimeráz – katalizálja.
Az eukarióta sejtek transzkripciós apparátusa három nukleáris RNS polimerázt, valamint mitokondriális és plasztid RNS polimerázt foglal magában. Az RNS-polimeráz I a sejtek sejtmagjaiban található, és felelős az rRNS-gének átírásáért. Az RNS-polimeráz II a nukleáris nedvben található, és felelős az mRNS-prekurzor szintéziséért. Az RNS-polimeráz III egy kis frakció, amely a nukleáris nedvben található, és részt vesz a kis rRNS-ek és tRNS-ek szintézisében. Ezen enzimek mindegyikének két nagy alegysége és legfeljebb 10 kicsi alegysége van. A mitokondriumok és a plasztidok RNS polimerázai különböznek a nukleáris polimerázoktól.
Az RNS-polimeráz enzimkomplexe specifikusan felismer egy bizonyos (gyakran egynél több) nukleotidszekvenciát, amely bizonyos távolságra található a transzkripció kiindulási pontjától - a promótertől. A kiindulási pont az a DNS-nukleotid, amely megfelel az enzim által az RNS-transzkriptumban szereplő első nukleotidnak.
A prokariótákban általában nem messze a kiindulási ponttól a transzkripció lefolyásával szemben egy hat nukleotidból álló szekvencia - TATAAT, az úgynevezett Pribnow-blokk található. Ez egy átlagos szekvencia, amely a leggyakrabban előforduló bázisokból áll, amelyek közül a legkonzervatívabb az 1., 2. és 6. bázis. A bázisok jelenléte ebben a szekvenciában, amelyeket túlnyomórészt kettős hidrogénkötések kapcsolnak össze egy másik szál komplementer bázisaival, nyilvánvalóan elősegíti a DNS kettős hélix lokális megolvadását és két egyszálú régiójának kialakulását az RNS polimerázzal való érintkezés során. A Pribnov blokk - 11-től - 5-ig vagy -14-től - 8-ig terjedő pozícióban található, azaz. néhány nukleotiddal a transzkripció kezdőpontja előtt (36. ábra). Ennek a szekvenciának a kimutatásakor az RNS polimeráz erősen kötődik hozzá, és elindítja az RNS szintézist. Ugyanilyen fontos szerepet játszik az RNS polimeráz és a DNS közötti kapcsolat kialakításában egy másik nukleotid szekvencia, amelynek középpontja a - 35. pozícióban van. Ezt felismerő régiónak - TTGACA - nevezik. A két jelzett terület közötti távolság meglehetősen állandó, és 16-19 bázispár (bp) között mozog.
Az eukarióta génpromoterek legalább két specifikus nukleotidszekvenciát is tartalmaznak, amelyek központja -25 és -75 bp.
Számos eukarióta génben a transzkripció lefolyásával szembeni kiindulási ponttól 19-27 nukleotid távolságra találták meg a TAT ATAAT átlagos statisztikai szekvenciát (TATA blokk vagy Hogness blokk), amelyben, mint a prokarióták Pribnow blokkjában, a bázisok dominálnak, gyengébb kötéseket képezve. A második szekvenciát, amely számos eukarióta promoterben megtalálható és GG C T CAATCT-ből áll, CAAT blokknak nevezik. -70 és -80 nukleotid közötti pozíciót foglal el, és egyben a polimeráz által felismert régió is. Egyes génekben többkomponensű promotereket találtak.
Így a herpeszvírus egyes génjeiben három DNS-szekvencia szükséges a hatékony transzkripció iniciálásához, amelyek -19 és -27, -47 és -61, valamint -80 és -105 nukleotid között helyezkednek el.
36. ábra. Az RNS polimeráz érintkezési pontjai a DNS felső szálában (promoter)
A promóterrégiók jellemzői arra utalnak, hogy a transzkripció elindításához nem csak a bázisok kombinációja a promoter egyes régióiban fontos, hanem az is, hogy ezeknek a régióknak a DNS-molekulájában milyen relatív pozíciójuk van, amelyhez az RNS polimeráz enzimkomplex kötődik.
Az RNS-polimeráz és a promóterhely közötti kapcsolat létrejötte után megkezdődik az RNS-molekula összeállítása, amely leggyakrabban magában foglalja az első, purinbázist (általában adenint) hordozó, három 5'-foszfát-maradékot tartalmazó nukleotidot.
Továbbá, ahogy az RNS-polimeráz a DNS-molekula mentén mozog, az RNS-lánc fokozatos megnyúlása következik be, amely addig tart, amíg az enzim nem találkozik a terminátorrégióval. A terminátor az a hely, ahol az RNS-lánc további növekedése megáll, és kiszabadul a DNS-templátból. Az RNS polimeráz is elválik a DNS-től, amely újjáépíti kétszálú szerkezetét.
37. ábra. A DNS kettős szimmetriájú régiója – palindrom:
I - palindrom, amelyben van egy szekvencia, amely megegyezik az ellenkező irányú olvasás során;
II - egy palindrom, amelyben az árnyékolt fordított ismétlődés a szimmetriatengelytől távol van
A prokarióta sejtekben a terminátorok szükségszerűen tartalmaznak palindromokat – kétszálú DNS-nukleotidszekvenciákat, amelyek mindkét irányban egyformán olvashatók (37. ábra). Egy ilyen szekvenciáról átírt RNS-régió a palindrom nukleotidok komplementer párosítása miatt képes kétszálú hajtűket képezni. Talán ez a jele a transzkripció befejezésének, amit az RNS polimeráz ismer fel (3.38. ábra). A kapott hajtűk láthatóan megállítják a polimerázt a terminátornál. A hajtűt követően az RNS-molekula egy uracilt (polyU) tartalmazó nukleotidszekvenciát tartalmaz, amely valószínűleg részt vesz az RNS felszabadulásában a DNS-templátból. Valójában egy poliadenil (poliA) DNS-szekvenciához kapcsolt poliU RNS-szekvenciát gyenge kölcsönhatás jellemez. Figyelemre méltó, hogy az A-T párokban gazdag DNS-régió nemcsak a transzkripció iniciációs helyén (Pribnov-blokk) található, hanem a terminátor régióban is.
A bakteriális terminátorok hatékonysága jelentősen különbözik. Néhányukat az RNS-polimeráz nem veszi észre, és a terminátoron kívül folytatja a transzkripciót. A terminátor ilyen leolvasása a bakteriális gének transzkripciója során megfigyelhető annak eredményeként, hogy specifikus fehérjék - anti-terminációs faktorok - megakadályozzák a terminációt. Az anti-termináció következménye a policisztron mRNS szintézise, amely több, egymás után elhelyezkedő szerkezeti génről leírt információt tartalmaz.
Az eukarióta gének terminátorait kisebb mértékben tanulmányozták, mint a proszkariótákban, de olyan hármas hidrogénkötéssel összekapcsolt G-C párokban gazdag régiókat is tartalmaznak, amelyekben A-T párokat tartalmazó hely található. Ezen a helyen a transzkriptum egy poliU szekvenciát tartalmaz, amely gyengén lép kölcsönhatásba a DNS templát poliA régiójával.
Elképzelhető, hogy a G-C párokban gazdag terminátor régió bizonyos szerepet játszik az RNS polimeráz leállításában, az UUUU-t tartalmazó RNS régió pedig biztosítja a transzkriptum elválasztását a DNS-templáttól.
Eukariótákban nem találtak a prokarióta RNS-ekben a hajtűekhez hasonló struktúrák kialakulását. Ezért továbbra sem világos, hogy a transzkripció terminációja hogyan történik bennük.
Minden mRNS tartalmaz olyan kódoló régiókat, amelyek a peptid aminosavszekvenciáját kódoló kodonkészletet képviselnek. Ezek a régiók általában az AUG startkodonnal kezdődnek, de néha a GUT kodont használják baktériumokban. A kódoló szekvencia végén egy terminációs kodon található. Az mRNS-ben található kódoló régiókon kívül további szekvenciák is elhelyezkedhetnek mindkét végén. Az 5"-es végén ez a vezető régió, amely a startkodon előtt található. A 3"-os végén egy trailer követi a terminátorkodont.
38. ábra. Hajtűképződés egy RNS-régió által a transzkripció terminációja során prokariótákban
A palindromot hordozó RNS-régió komplementer párosító struktúrát alkot - hajtűt (a fordított ismétlődések árnyékoltak)
A prokarióták policisztronos mRNS-ében a kódoló régiók között intercisztronos régiók találhatók, amelyek mérete változó (3.39. ábra).
39. ábra. Prokarióták policisztron hírvivő RNS-e:
1 - nem kódoló régiók, 2 - intercisztronikus régiók, 3 - kódoló régiók, 4 - terminációs kodonok
Tekintettel arra, hogy a prokarióta gének teljes egészében információt kódoló nukleotid szekvenciákból állnak, a belőlük közvetlenül a szintézis után átírt RNS képes transzlációs templátként funkcionálni. Csak kivételes esetben szükséges előzetes érlelésük - feldolgozásuk.
A prokarióta génekkel ellentétben az eukarióta sejtek génjei nem folytonosak, mivel összetételükben nem informatív nukleotidszekvenciákat - intronokat - hordoznak, amelyek nem vesznek részt az információ kódolásában. Ebben a tekintetben az RNS-polimeráz II által szintetizált elsődleges transzkriptumok nagyobbak a transzlációhoz szükségesnél, és kevésbé stabilak. Együtt alkotják az úgynevezett heterogén nukleáris RNS-t (tRNS), amely mielőtt elhagyná a sejtmagot és elkezdene aktívan működni a citoplazmában, feldolgozáson megy keresztül, és érett mRNS-vé alakul.
eukarióta mRNS feldolgozás. Az mRNS érése, vagyis feldolgozása magában foglalja az elsődleges transzkriptum módosítását és a nem kódoló intron régiók eltávolítását, majd a kódoló szekvenciák - exonok - összekapcsolását (splicing). Az eukarióta mRNS primer transzkriptumának módosítása röviddel azután kezdődik, hogy a purinbázisok (adenin vagy guanin) egyikét tartalmazó 5 "vége szintetizálódik. Ezen a végén egy kupak képződik, amely blokkolja az mRNS 5" végét azáltal, hogy az mRNS-hez kapcsolódik. a guanint tartalmazó trifoszfonukleozid transzkriptum első nukleotidja, kötés 5 "-5".
Gfff + fffAfN… → GfffAfN. + ff + f Ennek eredményeként kialakul a GfffAfFM... szekvencia, amelyben a tuaninmaradék fordított orientációban van a többi mRNS nukleotidhoz képest. Az mRNS 5 "végének módosítása magában foglalja a hozzákapcsolt guanin és az elsődleges transzkriptum első két vagy három bázisának metilezését is (3.40. ábra). Az mRNS 5" végein kialakult sapkák biztosítják az mRNS molekulák felismerését a kis szubrészecskék által. riboszómák a citoplazmában. A gyorsítótárazás még az elsődleges átirat szintézisének vége előtt is megtörténik.
Rizs. 40. Érett eukarióta mRNS képződése a feldolgozás során:
1 - nem kódoló szekvenciák, 2 - exonok, 3 - intronok, 4 - terminátor kodon
A transzkripció befejezése után az elsődleges transzkriptum 3" végén lévő nukleotidok egy részét eltávolítják, és egy 100-200 adenilsav (poliA) maradékból álló szekvenciát kapcsolnak hozzá (3.40. ábra). Úgy gondolják, hogy ez szekvencia hozzájárul az érett mRNS további feldolgozásához és transzportjához a sejtmagból Az mRNS citoplazmába való felszabadulása után a poliA szekvenciája fokozatosan lerövidül a 3' végén nukleotidokat hasító enzimek hatására. Így a poliA szekvencia hossza közvetetten meg tudja ítélni az mRNS tartózkodási idejét a citoplazmában. Valószínűleg a poliA szekvencia hozzáadása a feldolgozás során fokozza az mRNS stabilitását. Az mRNS-ek körülbelül egyharmada azonban egyáltalán nem tartalmaz poliA helyet. Ide tartoznak például a hiszton mRNS-ek.
Az 5'-végen kupak és a 3'-végen poliA-szekvencia kialakulása csak az RNS-polimeráz II által szintetizált RNS feldolgozására jellemző. A magasabb rendű eukarióták mRNS-ében a sapkák képződése során bekövetkező metiláció mellett a belső nukleotidok kis részének metilációja is megtörténik az mRNS körülbelül 1/000 bázisának gyakoriságával.
Az eukarióta mRNS módosítása mellett a feldolgozás magában foglalja azon intron régiók elsődleges transzkriptumainak eltávolítását, amelyek nem informatívak egy adott fehérje számára, és amelyek mérete 100-10 000 nukleotid vagy több között van. Az intronok az összes hnRNS körülbelül 80%-át teszik ki. Az intronok eltávolítását, majd az exonikus régiók összekapcsolását nevezzük splicingnek (40. ábra).
A splicing egy olyan mechanizmus, amelynek biztosítania kell a jól meghatározott intron régiók eltávolítását az elsődleges transzkriptumból. Ennek a folyamatnak a megsértése a leolvasási keret eltolódásához vezethet a transzláció során, és lehetetlenné teszi a normál peptid szintetizálását. Az intronok kimetszésének szabályosságát nyilvánvalóan az biztosítja, hogy a végükön specifikus nukleotidszekvenciák jelennek meg, amelyek a splicing jeleiként szolgálnak.
Számos elfogadható illesztési mechanizmust írtak le a folyamat pontosságának biztosítására. Talán bizonyos enzimek hatására érhető el, amelyek specifikusan felismerik az intronok terminális szakaszait, és katalizálják a foszfodiészter kötések felszakadását az exon-intron határon, majd kötések kialakulását két exon között.
Megállapították, hogy aktívan részt vesznek a speciális kisméretű, nukleáris RNS-ek (snRNS-ek) illesztésében, amelyek fehérjékkel komplexeket (snRNP-k) képeznek. Nyilvánvaló, hogy az snRNS-ek komplementer kölcsönhatásba lépnek nukleotidszekvenciáikkal az intronok terminális régióival, amelyek zárt hurkokat alkotnak. Az RNS hasítása az intronhurok szájánál egy informatív szekvencia eltávolításához és a szomszédos exonvégek összekapcsolásához (splicing) vezet.
Az RNS-transzkriptum splicing autokatalitikus képességét is tárgyalják. A leírt splicing módszerek arra utalnak, hogy ehhez a folyamathoz nincs univerzális mechanizmus, azonban az intronok pontos eltávolítása minden esetben egy specifikus mRNS képződésével érhető el, amely biztosítja a sejt számára szükséges fehérje szintézisét.
Jelenleg bebizonyosodott az alternatív (egymást kizáró) splicing lehetősége, melynek során ugyanabból a primer transzkriptumból különböző nukleotidszekvenciák deletálhatók és különböző érett mRNS-ek képződhetnek. Ennek eredményeként ugyanaz a DNS-nukleotid szekvencia információként szolgálhat különböző peptidek szintéziséhez. Az alternatív splicing valószínűleg nagyon jellemző az emlősök immunglobulin génrendszerében, ahol lehetővé teszi egyetlen transzkriptum alapján mRNS képződését különböző típusú antitestek szintéziséhez.
A feldolgozás során az RNS-transzkriptumban végbemenő átalakulások miatt az érett eukarióta mRNS-ek stabilabbak, mint a prokarióta mRNS-ek.
A feldolgozás befejeztével az érett mRNS kiválasztódik a citoplazmába való belépés előtt, ahová a hnRNS mindössze 5%-a jut be. A többit a mag elhagyása nélkül hasítják.
Így az eukarióta gének elsődleges transzkriptumainak transzformációi, azok exonitronikus szerveződése és az mRNS-transzfer szükségessége miatt a sejtmagból a citoplazmába, meghatározzák a genetikai információ megvalósításának jellemzőit egy eukarióta sejtben.
Fordítás pro- és eukariótákban. A prokarióta sejtekben a transzláció folyamata az mRNS szintéziséhez kapcsolódik: szinte egyidejűleg mennek végbe. Ez nagyrészt a bakteriális mRNS törékenységének köszönhető, amely gyorsan lebomlik. A transzkripció és a transzláció közötti kapcsolat a baktériumokban e folyamatok sebességének konzisztenciájában nyilvánul meg. 37 °C-on a transzkripció 2500 nukleotid/perc (14 kodon/s) sebességgel megy végbe, a transzláció pedig 15 aminosav/s sebességgel megy végbe.
A transzláció a prokariótákban röviddel az mRNS 5"-os végének kialakulása után kezdődik, mielőtt a szintézis véget ér. Ennek eredményeként az RNS polimerázt követően a riboszómák az mRNS mentén mozognak, és peptidláncokat állítanak össze (41. ábra). Valamivel az indulás után A transzkripció ideje (kb. 1 perc) és a templát 3'-végének transzlációjának befejeződése előtt megkezdődik annak 5'-végének lebomlása.Mivel a különböző mRNS-ek élettartama nem azonos, a a különböző templátokon szintetizált fehérje eltérő.
A prokarióták transzlációjának egyik jellemzője, hogy a peptidláncba egy módosított metionin - formil-metionin - első aminosavként kerül be, amelyből az összes újonnan szintetizált peptid kiindul. Abban az esetben is, ha a startkodon szerepét a GUG kód látja el, amely normál körülmények között a valint kódolja, a formil-metionin a peptid első pozíciójában jelenik meg. Az AUG vagy GUG startkodon követi a vezető helyet, amelyet a riboszóma leárnyékol a transzláció megkezdésekor.
A riboszóma és az mRNS kapcsolata az egyik rRNS nukleotidjainak és az mRNS-vezér nukleotidszekvenciájának komplementer kölcsönhatásából adódik.
Ez a szekvencia (Shine-Dalgarno) az AUG kodon előtt 4-7 bázissal található, és mindenütt megtalálható a prokarióták vezető régióiban.
Amikor az mRNS 5'-végét a riboszóma kis alegységéhez kapcsoljuk, a startkodon általában a riboszóma által védett mRNS-fragmens majdnem közepén, a P-helyének megfelelő régióban jelenik meg.
Az eukariótákban a transzláció a citoplazmában megy végbe, ahová az érett mRNS belép a sejtmagból. Az mRNS lemásolt végét a riboszóma kis alegysége ismeri fel, majd a vezető szekvencia, amely legfeljebb 100 nukleotidot tartalmaz, kölcsönhatásba lép az rRNS-sel. Ebben az esetben az AUG startkodon a riboszóma befejezetlen P-helyén található. Miután a metionint hordozó aminoacil-tRNS a startkodonhoz kapcsolódik, a riboszóma két alegysége újra egyesül, és kialakulnak az A- és P-helyei. Az eukarióta sejtekben a monocisztronos mRNS-en végrehajtott fehérjeszintézis a riboszóma teljes mRNS-en való áthaladása után fejeződik be, amíg felismeri a terminátor kodont, amely megállítja a peptidkötések kialakulását.
A fehérjék poszttranszlációs transzformációi. A transzláció során szintetizálódó peptidláncok primer szerkezetük alapján egy másodlagos és harmadlagos, illetve sok egyben több peptidláncból álló kvaterner szerveződést is szereznek. A fehérjék által ellátott funkcióktól függően aminosavszekvenciáik különféle átalakulásokon eshetnek át, funkcionálisan aktív fehérjemolekulákat képezve.
Számos membránfehérje preproteinként szintetizálódik, amelynek az N-terminálisán van egy vezető szekvencia, amely biztosítja a membrán felismerését. Ez a szekvencia lehasad az érlelés során, és a fehérje beépül a membránba. A szekréciós fehérjéknek van egy vezető szekvenciája is az N-terminálison, amely biztosítja a membránon keresztüli szállításukat. Egyes fehérjék közvetlenül a transzláció után további aminosav-proszekvenciákat hordoznak, amelyek meghatározzák az aktív fehérje-prekurzorok stabilitását. A fehérje érlelése során eltávolítják őket, lehetővé téve az inaktív proprotein átalakulását az aktív fehérjévé. Például az inzulint kezdetben preproinzulinként szintetizálják. A szekréció során az előszekvencia lehasad, majd a proinzulin olyan módosuláson megy keresztül, amelynek során a lánc egy része levál belőle, és érett inzulinná alakul.
41. ábra. Az mRNS transzkripciója, transzlációja és lebontása prokariótákban:
I - RNS polimeráz kötődik a DNS-hez és elkezdi szintetizálni az mRNS-t az 5 "→ 3" irányban;
II - az RNS polimeráz előrehaladtával riboszómák kapcsolódnak az mRNS 5' végéhez, elindítva a fehérjeszintézist;
III - egy riboszómacsoport követi az RNS polimerázt, degradációja az mRNS 5' végén kezdődik;
IV - a lebomlási folyamat lassabb, mint a transzkripció és a transzláció;
V - a transzkripció befejezése után az mRNS felszabadul a DNS-ből, a transzláció és a degradáció az 5" végén folytatódik rajta
A poszttranszlációs átalakulások során harmadlagos és kvaterner szerveződést kialakítva a fehérjék elnyerik az aktív működés képességét, bizonyos sejtstruktúrákba beépülve, enzimatikus és egyéb funkciókat is ellátva.
A genetikai információ pro- és eukarióta sejtekben való megvalósításának figyelembe vett jellemzői e folyamatok alapvető hasonlóságát mutatják. Következésképpen a biológiai kód segítségével titkosított információk transzkripciójával és az azt követő transzlációjával összefüggő génexpressziós mechanizmus egészében kialakult már e két típusú sejtszerveződés kialakulása előtt. A pro- és eukarióták genomjának eltérő evolúciója eltérésekhez vezetett az örökítőanyaguk szerveződésében, ami nem tudta csak befolyásolni az expressziós mechanizmusokat.
Az öröklődési és változékonysági anyag szerveződésével és működésével kapcsolatos ismereteink folyamatos bővítése meghatározza a génről, mint ennek az anyagnak egy funkcionális egységéről alkotott elképzelések fejlődését.
A jobb oldalon látható a várnai (Bulgária) tengerpartján a legnagyobb emberi DNS-spirál, amely 2016. április 23-án bekerült a Guinness Rekordok Könyvébe.
Dezoxiribonukleinsav. Általános információ
A DNS (dezoxiribonukleinsav) egyfajta életrajz, egy összetett kód, amely örökletes információkkal kapcsolatos adatokat tartalmaz. Ez az összetett makromolekula képes tárolni és nemzedékről generációra továbbítani az örökletes genetikai információkat. A DNS meghatározza bármely élő szervezet olyan tulajdonságait, mint az öröklődés és a változékonyság. A benne kódolt információ meghatározza bármely élő szervezet teljes fejlődési programját. A genetikailag beágyazott tényezők előre meghatározzák az ember és bármely más szervezet teljes életútját. A külső környezet mesterséges vagy természetes hatása csak kis mértékben befolyásolhatja az egyes genetikai tulajdonságok általános súlyosságát, vagy befolyásolhatja a programozott folyamatok fejlődését.
Dezoxiribonukleinsav(DNS) egy makromolekula (a három fő közül az egyik, a másik kettő az RNS és a fehérjék), amely biztosítja a tárolást, a nemzedékről nemzedékre történő átvitelt és az élő szervezetek fejlődését és működését biztosító genetikai program végrehajtását. A DNS információkat tartalmaz a különböző típusú RNS-ek és fehérjék szerkezetéről.
Az eukarióta sejtekben (állatok, növények és gombák) a DNS a sejtmagban a kromoszómák részeként, valamint egyes sejtszervecskékben (mitokondriumokban és plasztidokban) található. A prokarióta szervezetek (baktériumok és archaeák) sejtjeiben belülről körkörös vagy lineáris DNS-molekula, az úgynevezett nukleoid kapcsolódik a sejtmembránhoz. Nekik és az alacsonyabb rendű eukariótáknak (például az élesztőknek) is vannak kis autonóm, többnyire kör alakú DNS-molekulái, amelyeket plazmidoknak neveznek.
Kémiai szempontból a DNS egy hosszú polimer molekula, amely ismétlődő blokkokból - nukleotidokból áll. Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból, egy cukorból (dezoxiribóz) és egy foszfátcsoportból áll. A láncban lévő nukleotidok közötti kötéseket a dezoxiribóz ( VAL VEL) és foszfát ( F) csoportok (foszfodiészter kötések).
Rizs. 2. A nukletid egy nitrogénbázisból, cukorból (dezoxiribóz) és egy foszfátcsoportból áll
Az esetek túlnyomó többségében (kivéve néhány egyszálú DNS-t tartalmazó vírust) a DNS-makromolekula két láncból áll, amelyeket nitrogénbázisok orientálnak egymáshoz. Ez a kétszálú molekula csavarvonalban csavarodik.
A DNS-ben négyféle nitrogénbázis található (adenin, guanin, timin és citozin). Az egyik lánc nitrogéntartalmú bázisai hidrogénkötésekkel kapcsolódnak a másik lánc nitrogénbázisaihoz a komplementaritás elve szerint: az adenin csak a timinnel kombinálódik ( NÁL NÉL), guanin - csak citozinnal ( G-C). Ezek a párok alkotják a DNS spirális "létrájának" "fokjait" (lásd: 2., 3. és 4. ábra).
Rizs. 2. Nitrogéntartalmú bázisok
A nukleotidok szekvenciája lehetővé teszi a különféle RNS-típusok információinak "kódolását", amelyek közül a legfontosabbak az információs vagy templát (mRNS), riboszómális (rRNS) és transzport (tRNS). Mindezek az RNS-típusok a DNS-templáton szintetizálódnak úgy, hogy a DNS-szekvenciát a transzkripció során szintetizált RNS-szekvenciába másolják, és részt vesznek a fehérje bioszintézisében (transzlációs folyamat). A sejt-DNS a kódoló szekvenciákon kívül olyan szekvenciákat is tartalmaz, amelyek szabályozó és szerkezeti funkciókat látnak el.
Rizs. 3. DNS replikáció
A DNS-kémiai vegyületek alapvető kombinációinak elhelyezkedése és a kombinációk közötti mennyiségi arányok biztosítják az örökletes információ kódolását.
Oktatás új DNS (replikáció)
- A replikáció folyamata: a DNS kettős hélix feltekercselése - komplementer szálak szintézise DNS-polimeráz által - két DNS-molekula képződése egyből.
- A kettős hélix két ágra "bontja ki a cipzárt", amikor az enzimek megbontják a kötést a kémiai vegyületek bázispárjai között.
- Mindegyik ág egy új DNS-elem. Az új bázispárok ugyanabban a sorrendben kapcsolódnak össze, mint a szülő ágban.
A duplikáció befejeztével két független hélix jön létre, amelyek az anya-DNS kémiai vegyületeiből jönnek létre, és ugyanazzal a genetikai kóddal rendelkeznek. Ily módon a DNS képes az információt sejtről sejtre hasítani.
Részletesebb információ:
A NULEINSAVAK SZERKEZETE
Rizs. 4. Nitrogénbázisok: adenin, guanin, citozin, timin
Dezoxiribonukleinsav(DNS) nukleinsavakat jelent. Nukleinsavak a szabálytalan biopolimerek osztálya, amelyek monomerjei nukleotidok.
NUKLEOTIDOK magába foglal nitrogén bázis 5 szénhidráthoz (pentóz) kapcsolódik - dezoxiribóz(DNS esetén) ill ribóz(RNS esetén), amely egy foszforsav-maradékkal (H 2 PO 3 -) egyesül.
Nitrogéntartalmú bázisok Két típusa van: pirimidin bázisok - uracil (csak RNS-ben), citozin és timin, purin bázisok - adenin és guanin.
Rizs. 5. ábra: A nukleotidok szerkezete (balra), a nukleotid elhelyezkedése a DNS-ben (lent) és a nitrogénbázisok típusai (jobbra): pirimidin és purin
A pentózmolekulák szénatomjai 1-től 5-ig vannak számozva. A foszfát a harmadik és az ötödik szénatommal egyesül. A nukleinsavak így kapcsolódnak egymáshoz, és így nukleinsavláncot alkotnak. Így elkülöníthetjük a DNS-szál 3' és 5' végét:
Rizs. 6. A DNS-szál 3' és 5' végének izolálása
Két DNS-szál képződik kettős spirál. Ezek a spirálban lévő láncok ellentétes irányúak. A DNS különböző szálaiban a nitrogéntartalmú bázisok a segítségével kapcsolódnak egymáshoz hidrogénkötések. Az adenin mindig timinnel, a citozin pedig mindig guaninnal kombinálódik. Ez az úgynevezett komplementaritási szabály.
Komplementaritási szabály:
| A-T G-C |
Például, ha kapunk egy DNS-szálat, amely a szekvenciával rendelkezik
3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',
akkor a második lánc kiegészíti azt, és az ellenkező irányba irányítja - az 5'-végtől a 3'-végig:
5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.
Rizs. 7. A DNS-molekula láncainak iránya és a nitrogénbázisok kapcsolódása hidrogénkötések segítségével
DNS REPLIKÁCIÓ
DNS replikáció egy DNS-molekula megkettőzésének folyamata templátszintézissel. A legtöbb esetben a természetes DNS-replikációalapozómert a DNS-szintézis az rövid részlet (újra létrehozva). Az ilyen ribonukleotid primert a primáz enzim hozza létre (prokariótákban DNS-primáz, eukariótákban DNS-polimeráz), majd ezt követően a dezoxiribonukleotid polimeráz helyettesíti, amely normál esetben javító funkciókat lát el (korrigálja a DNS-molekulában bekövetkezett kémiai károsodásokat és töréseket).
A replikáció félig konzervatív módon történik. Ez azt jelenti, hogy a DNS kettős hélixe feltekercselődik, és a komplementaritás elve szerint minden láncán új lánc készül. A leány-DNS-molekula tehát egy szálat tartalmaz a szülőmolekulából és egy újonnan szintetizáltat. A replikáció a szülőszál 3'-5' irányában történik.
Rizs. 8. A DNS-molekula replikációja (duplázódása).
DNS szintézis- ez nem olyan bonyolult folyamat, mint amilyennek első pillantásra tűnhet. Ha belegondolsz, akkor először ki kell találnod, mi a szintézis. Ez az a folyamat, amikor valamit összehozunk. Az új DNS-molekula kialakulása több szakaszban történik:
1) A replikációs villa előtt elhelyezkedő DNS-topoizomeráz elvágja a DNS-t, hogy megkönnyítse annak le- és letekercselését.
2) A DNS-helikáz a topoizomerázt követően befolyásolja a DNS-hélix "letekercselésének" folyamatát.
3) A DNS-kötő fehérjék elvégzik a DNS-szálak megkötését, és ezek stabilizálását is, megakadályozva, hogy egymáshoz tapadjanak.
4) DNS polimeráz δ(delta) , a replikációs villa mozgási sebességével összehangolva végzi a szintézistvezetőláncok leányvállalat DNS a mátrixon 5" → 3" irányban anyai DNS-szálak a 3"-os végétől az 5"-es végéig (sebesség akár 100 bázispár másodpercenként). Ezek az események erről anyai A DNS szálai korlátozottak.
Rizs. 9. A DNS-replikációs folyamat sematikus ábrázolása: (1) Lemaradó szál (lag szál), (2) Leading szál (vezető szál), (3) DNS polimeráz α (Polα), (4) DNS ligáz, (5) RNS -primer, (6) primáz, (7) Okazaki fragmentum, (8) DNS polimeráz δ (Polδ ), (9) helikáz, (10) egyszálú DNS-kötő fehérjék, (11) topoizomeráz.
A lemaradó leány DNS-szál szintézisét az alábbiakban ismertetjük (lásd alább). rendszer replikációs villa és a replikációs enzimek működése)
A DNS-replikációval kapcsolatos további információkért lásd:
5) Közvetlenül az anyamolekula másik szálának letekercselése és stabilizálása után csatlakozikDNS polimeráz α(alfa)és az 5. irányban "→3" primert (RNS primert) szintetizál - egy DNS-templáton lévő RNS-szekvenciát, amelynek hossza 10-200 nukleotid. Ezt követően az enzimeltávolítjuk a DNS-szálból.
Ahelyett DNS polimerázα
az alapozó 3"-os végéhez rögzítve DNS polimerázε
.
6)
DNS polimerázε
(epszilon) mintha továbbra is meghosszabbítja az alapozót, hanem szubsztrátumként beágyazódikdezoxiribonukleotidok(150-200 nukleotid mennyiségben). Ennek eredményeként két részből szilárd szál képződik -RNS(azaz alapozó) és DNS.
DNS polimeráz εaddig működik, amíg nem találkozik az előző primerévelOkazaki töredék(kicsit korábban szintetizálva). Ezt az enzimet ezután eltávolítják a láncból.
7) DNS polimeráz β(béta) áll a helyénDNS polimerázok ε,ugyanabba az irányba mozog (5" → 3"), és eltávolítja a primer ribonukleotidokat, miközben dezoxiribonukleotidokat helyez be a helyükre. Az enzim a primer teljes eltávolításáig fejti ki hatását, azaz. dezoxiribonukleotidig (még inkább korábban szintetizáltDNS polimeráz ε). Az enzim nem képes összekapcsolni munkája eredményét és az előtte lévő DNS-t, így kilép a láncból.
Ennek eredményeként a leány-DNS egy töredéke "fekszik" az anyaszál mátrixán. Ez az úgynevezettOkazaki töredéke.
8) A DNS-ligáz két szomszédos ligát köt össze töredékek Okazaki , azaz 5 "-vége a szegmensnek, szintetizálvaDNS polimeráz ε,és 3" láncvég beépítveDNS polimerázβ .
AZ RNS SZERKEZETE
Ribonukleinsav Az RNS egyike annak a három fő makromolekulának (a másik kettő a DNS és a fehérjék), amelyek minden élő szervezet sejtjében megtalálhatók.
A DNS-hez hasonlóan az RNS is egy hosszú láncból áll, amelyben minden láncszemet hívnak nukleotid. Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból, egy ribózcukorból és egy foszfátcsoportból áll. A DNS-től eltérően azonban az RNS-nek általában egy, nem pedig két szála van. Az RNS-ben a pentózt ribóz képviseli, nem dezoxiribóz (a ribóznak van egy további hidroxilcsoportja a második szénhidrátatomon). Végül a DNS különbözik az RNS-től a nitrogénbázisok összetételében: timin helyett ( T) uracil van jelen az RNS-ben ( U) , amely szintén kiegészíti az adenint.
A nukleotidszekvencia lehetővé teszi az RNS számára, hogy genetikai információt kódoljon. Minden sejtes organizmus RNS-t (mRNS) használ a fehérjeszintézis programozásához.
A sejtes RNS-ek az ún átírás , vagyis az RNS szintézise DNS-templáton, amelyet speciális enzimek hajtanak végre - RNS polimerázok.
A hírvivő RNS-ek (mRNS-ek) ezután részt vesznek az ún adás, azok. fehérjeszintézis az mRNS templáton riboszómák részvételével. Más RNS-ek a transzkripció után kémiai módosulásokon mennek keresztül, majd másodlagos és harmadlagos struktúrák kialakulása után az RNS típusától függő funkciókat látnak el.
Rizs. 10. A DNS és az RNS közötti különbség a nitrogénbázis tekintetében: timin (T) helyett az RNS uracilt (U) tartalmaz, amely szintén komplementer az adeninnel.
ÁTÍRÁS
Ez az RNS-szintézis folyamata egy DNS-templáton. A DNS az egyik helyen feloldódik. Az egyik lánc olyan információkat tartalmaz, amelyeket az RNS-molekulára kell másolni – ezt a láncot kódolásnak nevezik. A DNS második szálát, amely komplementer a kódoló szálhoz, templátszálnak nevezzük. A templátláncon 3'-5' irányban (a DNS-lánc mentén) történő transzkripció során egy azzal komplementer RNS-lánc szintetizálódik. Így a kódoló szál RNS-másolata jön létre.
Rizs. 11. A transzkripció sematikus ábrázolása
Például, ha megadjuk a kódoló szál szekvenciáját
3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',
akkor a komplementaritás szabálya szerint a mátrixlánc viszi a sorozatot
5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',
és a belőle szintetizált RNS a szekvencia
ADÁS
Fontolja meg a mechanizmust protein szintézis az RNS-mátrixon, valamint a genetikai kódon és annak tulajdonságaiban. Az érthetőség kedvéért az alábbi linken javasoljuk, hogy nézzen meg egy rövid videót az élő sejtben végbemenő átírási és fordítási folyamatokról:
Rizs. 12. A fehérjeszintézis folyamata: a DNS az RNS-t, az RNS a fehérjét kódolja
GENETIKAI KÓD
Genetikai kód- eljárás fehérjék aminosavszekvenciájának kódolására nukleotidszekvencia felhasználásával. Minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol – egy kodon vagy egy triplett.
A legtöbb pro- és eukarióta genetikai kódja. A táblázat felsorolja mind a 64 kodont és felsorolja a megfelelő aminosavakat. Az alapsorrend az mRNS 5"-től 3"-ig terjed.
1. táblázat: Szabványos genetikai kód
|
1 nie |
2. alap |
3 nie |
|||||||
|
U |
C |
A |
G |
||||||
|
U |
U U U |
(Phe/F) |
U C U |
(Ser/S) |
U A U |
(Tyr/Y) |
U G U |
(Cys/C) |
U |
|
U U C |
U C C |
U A C |
U G C |
C |
|||||
|
U U A |
(Leu/L) |
U C A |
U A A |
Stop kodon** |
U G A |
Stop kodon** |
A |
||
|
U U G |
U C G |
U A G |
Stop kodon** |
U G G |
(Trp/W) |
G |
|||
|
C |
C U U |
C C U |
(Támaszt) |
C A U |
(Ő/H) |
C G U |
(Arg/R) |
U |
|
|
C U C |
C C C |
C A C |
C G C |
C |
|||||
|
C U A |
C C A |
C A A |
(Gln/Q) |
CGA |
A |
||||
|
C U G |
C C G |
C A G |
C G G |
G |
|||||
|
A |
A U U |
(Ile/I) |
A C U |
(Thr/T) |
A A U |
(Asn/N) |
A G U |
(Ser/S) |
U |
|
A U C |
A C C |
A A C |
A G C |
C |
|||||
|
A U A |
A C A |
A A A |
(Lys/K) |
A G A |
A |
||||
|
A U G |
(Met/M) |
A C G |
A A G |
A G G |
G |
||||
|
G |
G U U |
(Val/V) |
G C U |
(Ala/A) |
G A U |
(Asp/D) |
G G U |
(Gly/G) |
U |
|
G U C |
G C C |
G A C |
G G C |
C |
|||||
|
G U A |
G C A |
G A A |
(Ragasztó) |
G G A |
A |
||||
|
G U G |
G C G |
G A G |
G G G |
G |
|||||
A hármasok között 4 speciális sorozat található, amelyek "írásjelként" működnek:
- *Hármas AUGUSZTUS, amely szintén metionint kódol, az úgynevezett start kodon. Ez a kodon elindítja a fehérje molekula szintézisét. Így a fehérjeszintézis során az első aminosav a szekvenciában mindig a metionin lesz.
- **Hármas ikrek UAA, UAGés UGA hívott stop kodonokés nem kódol semmilyen aminosavat. Ezeknél a szekvenciáknál a fehérjeszintézis leáll.
A genetikai kód tulajdonságai
1. Hármasság. Minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol – egy triplett vagy kodon.
2. Folytonosság. A tripletek között nincsenek további nukleotidok, az információ folyamatosan olvasható.
3. Nem átfedő. Egy nukleotid nem lehet egyszerre két hármas része.
4. Egyediség. Egy kodon csak egy aminosavat kódolhat.
5. Degeneráltság. Egy aminosavat több különböző kodon is kódolhat.
6. Sokoldalúság. A genetikai kód minden élő szervezetre azonos.
Példa. Megadjuk a kódoló szál sorrendjét:
3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.
A mátrixlánc sorrendje a következő lesz:
5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.
Most információs RNS-t "szintetizálunk" ebből a láncból:
3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.
A fehérjeszintézis 5' → 3' irányba megy, ezért meg kell fordítanunk a szekvenciát, hogy "beolvassuk" a genetikai kódot:
5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.
Most keresse meg az AUG kezdőkodont:
5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.
Osszuk a sorozatot hármasokra:
így hangzik: a DNS-ből származó információ átkerül az RNS-be (transzkripció), az RNS-ből a fehérjébe (transzláció). A DNS replikációval is duplikálható, illetve reverz transzkripciós folyamat is lehetséges, amikor RNS-templátból szintetizálnak DNS-t, de ez a folyamat elsősorban a vírusokra jellemző.
Rizs. 13. A molekuláris biológia központi dogmája
GENOM: GÉNEK ÉS KROMOSZÓMÁK
(általános fogalmak)
Genom – egy szervezet összes génjének összessége; teljes kromoszómakészlete.
A „genom” kifejezést G. Winkler javasolta 1920-ban az azonos biológiai fajhoz tartozó szervezetek haploid kromoszómakészletében található gének összességének leírására. A kifejezés eredeti jelentése arra utalt, hogy a genom fogalma a genotípussal ellentétben a faj egészének genetikai jellemzője, nem pedig egy egyedé. A molekuláris genetika fejlődésével ennek a kifejezésnek a jelentése megváltozott. Ismeretes, hogy a DNS, amely a legtöbb szervezetben a genetikai információ hordozója, és ezért a genom alapját képezi, nemcsak a szó mai értelmében vett géneket foglalja magában. Az eukarióta sejtek DNS-ének nagy részét nem kódoló („redundáns”) nukleotidszekvenciák képviselik, amelyek nem tartalmaznak információt a fehérjékről és a nukleinsavakról. Így bármely szervezet genomjának fő része a haploid kromoszómakészlet teljes DNS-e.
A gének olyan DNS-molekulák szegmensei, amelyek polipeptideket és RNS-molekulákat kódolnak.
Az elmúlt évszázad során a génekkel kapcsolatos ismereteink jelentősen megváltoztak. Korábban a genom egy kromoszóma olyan régiója volt, amely egy-egy tulajdonságot kódol vagy meghatároz. fenotípusos(látható) tulajdonság, például szemszín.
1940-ben George Beadle és Edward Tatham javasolta a gén molekuláris meghatározását. A tudósok gomba spórákat dolgoztak fel Neurospora crassa Röntgensugárzás és más olyan szerek, amelyek a DNS-szekvencia változásait okozzák ( mutációk), és olyan mutáns gombatörzseket találtak, amelyek elveszítettek néhány specifikus enzimet, ami egyes esetekben a teljes anyagcsereút megzavarásához vezetett. Beadle és Tatham arra a következtetésre jutott, hogy a gén a genetikai anyag egy része, amely egyetlen enzimet határoz meg vagy kódol. Így a hipotézis "egy gén, egy enzim". Ezt a fogalmat később kiterjesztették a meghatározásra "egy gén - egy polipeptid", mivel sok gén olyan fehérjéket kódol, amelyek nem enzimek, és a polipeptid egy komplex fehérjekomplex alegysége lehet.
ábrán A 14. ábra egy diagramot mutat be arról, hogy a DNS-hármasok hogyan határoznak meg egy polipeptidet, egy fehérje aminosavszekvenciáját, amelyet mRNS közvetít. Az egyik DNS-szál az mRNS szintézisében a templát szerepét tölti be, amelynek nukleotidhármasai (kodonjai) komplementerek a DNS-hármasokkal. Egyes baktériumokban és sok eukarióta esetében a kódoló szekvenciákat nem kódoló régiók szakítják meg (ún. intronok).
A gén modern biokémiai meghatározása még konkrétabban. A gének a DNS valamennyi szakasza, amely a végtermékek elsődleges szekvenciáját kódolja, beleértve a polipeptideket vagy RNS-t, amelyek szerkezeti vagy katalitikus funkcióval rendelkeznek.
A DNS a gének mellett más szekvenciákat is tartalmaz, amelyek kizárólag szabályozó funkciót látnak el. Szabályozási szekvenciák jelezheti a gének kezdetét vagy végét, befolyásolhatja a transzkripciót, vagy jelezheti a replikáció vagy rekombináció beindulási helyét. Egyes géneket különböző módon lehet kifejezni, és ugyanaz a DNS-darab szolgál templátként különböző termékek előállításához.
Nagyjából ki tudjuk számolni minimális génméret intermedier fehérjét kódol. A polipeptidláncban minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol; ezeknek a tripletteknek (kodonoknak) a szekvenciája megfelel az adott gén által kódolt polipeptid aminosavláncának. Egy 350 aminosavból álló polipeptidlánc (közepes hosszúságú lánc) 1050 bp hosszúságú szekvenciának felel meg. ( bp). Sok eukarióta gént és néhány prokarióta gént azonban megszakítanak olyan DNS-szegmensek, amelyek nem hordoznak információt a fehérjéről, és ezért sokkal hosszabbnak bizonyulnak, mint azt egy egyszerű számítás mutatja.
Hány gén található egy kromoszómán?
Rizs. 15. Kromoszómák képe prokarióta (balra) és eukarióta sejtekben. A hisztonok a nukleáris fehérjék széles osztályát alkotják, amelyek két fő funkciót látnak el: részt vesznek a DNS-szálak becsomagolásában a sejtmagban és a nukleáris folyamatok epigenetikai szabályozásában, mint például a transzkripció, replikáció és javítás.
Mint tudják, a baktériumsejtek kromoszómájuk DNS-szál formájában van, amely egy kompakt szerkezetbe - egy nukleoidba van csomagolva. prokarióta kromoszóma Escherichia coli, amelynek genomja teljesen dekódolt, egy kör alakú DNS-molekula (valójában ez nem egy szabályos kör, hanem egy hurok kezdete és vége nélkül), amely 4 639 675 bp-ból áll. Ez a szekvencia körülbelül 4300 fehérjegént és további 157 gént tartalmaz a stabil RNS-molekulák számára. V emberi genom körülbelül 3,1 milliárd bázispár, amely 24 különböző kromoszómán található csaknem 29 000 génnek felel meg.
Prokarióták (baktériumok).
Baktérium E. coli egy kétszálú, körkörös DNS-molekulával rendelkezik. 4 639 675 b.p. és eléri a körülbelül 1,7 mm hosszúságot, ami meghaladja magának a cellának a hosszát E. coli körülbelül 850 alkalommal. A nukleoid részeként a nagy körkörös kromoszómán kívül sok baktérium tartalmaz egy vagy több kis, körkörös DNS-molekulát, amelyek szabadon helyezkednek el a citoszolban. Ezeket az extrakromoszómális elemeket ún plazmidok(16. ábra).
A legtöbb plazmid csak néhány ezer bázispárból áll, néhány 10 000 bp-nál is többet tartalmaz. Genetikai információt hordoznak, és replikálódnak leányplazmidokká, amelyek a szülősejt osztódása során jutnak be a leánysejtekbe. A plazmidok nemcsak baktériumokban, hanem élesztőben és más gombákban is megtalálhatók. Sok esetben a plazmidok nem nyújtanak előnyt a gazdasejtek számára, és egyetlen feladatuk az önálló szaporodás. Egyes plazmidok azonban a gazdaszervezet számára hasznos géneket hordoznak. Például a plazmidokban található gének rezisztenciát biztosíthatnak az antibakteriális szerekkel szemben a baktériumsejtekben. A β-laktamáz gént hordozó plazmidok rezisztenciát biztosítanak a β-laktám antibiotikumokkal, például a penicillinnel és az amoxicillinnel szemben. A plazmidok átjuthatnak az antibiotikum-rezisztens sejtekből ugyanazon vagy különböző baktériumfajok más sejtjeibe, így ezek a sejtek is rezisztenssé válnak. Az antibiotikumok intenzív használata erőteljes szelektív faktor, amely elősegíti az antibiotikum-rezisztenciát kódoló plazmidok (valamint a hasonló géneket kódoló transzpozonok) terjedését a kórokozó baktériumok között, és több antibiotikummal szemben rezisztens baktériumtörzsek megjelenéséhez vezet. Az orvosok kezdik megérteni az antibiotikumok széles körű használatának veszélyeit, és csak akkor írják fel őket, ha feltétlenül szükséges. Hasonló okok miatt korlátozott az antibiotikumok széles körben elterjedt alkalmazása a haszonállatok kezelésére.
Lásd még: Ravin N.V., Shestakov S.V. Prokarióták genomja // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. No. 4/2. 972-984.
Eukarióták.
2. táblázat: Néhány élőlény DNS-e, génjei és kromoszómái
|
megosztott DNS, b.s. |
kromoszómák száma* |
A gének hozzávetőleges száma |
|
|
Escherichia coli(baktérium) |
4 639 675 |
4 435 |
|
|
Saccharomyces cerevisiae(élesztő) |
12 080 000 |
16** |
5 860 |
|
Caenorhabditis elegans(fonálféreg) |
90 269 800 |
12*** |
23 000 |
|
Arabidopsis thaliana(növény) |
119 186 200 |
33 000 |
|
|
Drosophila melanogaster(muslica) |
120 367 260 |
20 000 |
|
|
Oryza sativa(rizs) |
480 000 000 |
57 000 |
|
|
Mus izom(egér) |
2 634 266 500 |
27 000 |
|
|
Homo sapiens(Emberi) |
3 070 128 600 |
29 000 |
Jegyzet. Az információ folyamatosan frissül; További naprakész információkért tekintse meg az egyes genomikai projektek webhelyeit.
* Az élesztő kivételével minden eukarióta esetében a diploid kromoszómakészlet adott. diploid készlet kromoszómák (a görög diploos - kettős és eidos - nézetből) - kettős kromoszómakészlet (2n), amelyek mindegyikének van egy homológja.
**Haploid készlet. A vadon élő élesztőtörzsek általában nyolc (oktaploid) vagy több ilyen kromoszómával rendelkeznek.
***Két X-kromoszómával rendelkező nőstények számára. A férfiaknak van X kromoszómája, de nincs Y kromoszómája, azaz csak 11 kromoszómája.
Egy élesztősejt, az egyik legkisebb eukarióta, 2,6-szor több DNS-t tartalmaz, mint egy sejt E. coli(2. táblázat). gyümölcslégysejtek Drosophila, a genetikai kutatás klasszikus tárgya, 35-ször több DNS-t tartalmaz, és az emberi sejtek körülbelül 700-szor több DNS-t tartalmaznak, mint a sejtek. E. coli. Sok növény és kétéltű még több DNS-t tartalmaz. Az eukarióta sejtek genetikai anyaga kromoszómák formájában szerveződik. Diploid kromoszómakészlet (2 n) az élőlény típusától függ (2. táblázat).
Például egy emberi szomatikus sejtben 46 kromoszóma van ( rizs. 17). Minden kromoszóma egy eukarióta sejtben, amint az az ábrán látható. 17, a, egy nagyon nagy, kétszálú DNS-molekulát tartalmaz. Huszonnégy emberi kromoszóma (22 páros kromoszóma és két X és Y nemi kromoszóma) hossza több mint 25-ször különbözik egymástól. Minden eukarióta kromoszóma egy meghatározott génkészletet tartalmaz.
Rizs. 17. eukarióta kromoszómák.a- egy pár összekapcsolt és kondenzált testvérkromatid az emberi kromoszómából. Ebben a formában az eukarióta kromoszómák a replikáció után és a mitózis során metafázisban maradnak. b- teljes kromoszómakészlet a könyv egyik szerzőjének leukocitájából. Minden normál emberi szomatikus sejt 46 kromoszómát tartalmaz.
Ha az emberi genom DNS-molekuláit (22 kromoszóma és X és Y kromoszóma vagy X és X) összekapcsoljuk egymással, akkor körülbelül egy méter hosszú szekvenciát kapunk. Megjegyzés: Minden emlősben és más heterogametikus hím szervezetben a nőstényeknek két X kromoszómája (XX), a hímeknek pedig egy X kromoszómája és egy Y kromoszómája (XY) van.
A legtöbb emberi sejt, így az ilyen sejtek teljes DNS-hossza körülbelül 2 m. Egy felnőtt embernek körülbelül 10 14 sejtje van, tehát az összes DNS molekula teljes hossza 2・10 11 km. Összehasonlításképpen a Föld kerülete 4・10 4 km, a Föld és a Nap távolsága pedig 1,5・10 8 km. Így van a sejtjeinkben elképesztően kompaktan csomagolt DNS!
Az eukarióta sejtekben más DNS-t tartalmazó organellumok is vannak - ezek a mitokondriumok és a kloroplasztiszok. Számos hipotézist terjesztettek elő a mitokondriális és kloroplasztisz DNS eredetével kapcsolatban. Ma általánosan elfogadott álláspont az, hogy ezek az ősi baktériumok kromoszómáinak kezdetei, amelyek behatoltak a gazdasejtek citoplazmájába, és ezeknek az organellumoknak az előfutáraivá váltak. A mitokondriális DNS a mitokondriális tRNS-t és rRNS-t, valamint számos mitokondriális fehérjét kódol. A mitokondriális fehérjék több mint 95%-át a nukleáris DNS kódolja.
A GÉNEK SZERKEZETE
Tekintsük a gén szerkezetét prokariótákban és eukariótákban, hasonlóságaikat és különbségeiket. Annak ellenére, hogy egy gén a DNS-nek csak egy fehérjét vagy RNS-t kódoló szakasza, a direkt kódoló részen kívül olyan szabályozó és egyéb szerkezeti elemeket is tartalmaz, amelyek a prokariótákban és az eukariótákban eltérő szerkezettel rendelkeznek.
kódoló szekvencia- a gén fő szerkezeti és funkcionális egysége, benne vannak a kódoló nukleotidhármasokaminosav szekvencia. Kezdőkodonnal kezdődik és stopkodonnal végződik.
A kódoló szekvencia előtt és után vannak nem lefordított 5' és 3' szekvenciák. Szabályozó és kisegítő funkciókat látnak el, például biztosítják a riboszóma mRNS-re való landolását.
A nem transzlált és kódoló szekvenciák alkotják a transzkripció egységét - az átírt DNS-régiót, vagyis azt a DNS-régiót, amelyből az mRNS szintetizálódik.
Végrehajtó A DNS egy nem átírt régiója a gén végén, ahol az RNS szintézis leáll.
A gén elején az szabályozási terület, ami magában foglalja promóterés operátor.
promóter- a szekvencia, amellyel a polimeráz a transzkripció iniciálása során kötődik. Operátor- ez az a terület, amelyhez speciális fehérjék kötődhetnek - elnyomók, amely csökkentheti az RNS szintézis aktivitását ebből a génből – más szóval csökkentheti kifejezés.
A gének szerkezete prokariótákban
A prokarióták és eukarióták gének szerkezetének általános terve nem különbözik egymástól – mindkettő tartalmaz egy szabályozó régiót egy promoterrel és egy operátorral, egy transzkripciós egységet kódoló és nem lefordított szekvenciákkal, valamint egy terminátort. A prokarióták és eukarióták gének szerveződése azonban eltérő.
Rizs. 18. A gén szerkezetének vázlata prokariótákban (baktériumokban) -a kép ki van nagyítva
Az operon elején és végén több szerkezeti gén számára közös szabályozó régiók találhatók. Az operon átírt régiójából egy mRNS-molekulát olvasunk ki, amely több kódoló szekvenciát tartalmaz, amelyek mindegyikének saját start- és stopkodonja van. Mindegyik területrőlegy fehérje szintetizálódik. Ily módon Egy i-RNS molekulából több fehérjemolekula szintetizálódik.
A prokariótákra több gén egyetlen funkcionális egységgé történő kombinációja jellemző. operon. Az operon munkáját más gének is szabályozhatják, amelyek észrevehetően eltávolíthatók magából az operonból - szabályozók. Az ebből a génből lefordított fehérjét ún represszor. Az operon kezelőjéhez kötődik, egyszerre szabályozza a benne lévő összes gén expresszióját.
A prokariótákra is jellemző a jelenség átírási és fordítási ragozások.
Rizs. 19 A transzkripció és a transzláció konjugációjának jelensége prokariótákban - a kép ki van nagyítva
Ez a párosítás nem fordul elő eukariótákban, mivel a sejtmag membránja elválasztja a citoplazmát, ahol a transzláció megtörténik, a genetikai anyagtól, amelyen a transzkripció megtörténik. A prokariótákban az RNS DNS-templáton történő szintézise során egy riboszóma azonnal kötődhet a szintetizált RNS-molekulához. Így a fordítás még az átírás befejezése előtt megkezdődik. Ezen túlmenően több riboszóma egyidejűleg kötődhet egy RNS-molekulához, és egy fehérje több molekuláját szintetizálja egyszerre.
A gének szerkezete az eukariótákban
Az eukarióták génjei és kromoszómái nagyon bonyolultan szerveződnek.
Sok faj baktériumának csak egy kromoszómája van, és szinte minden esetben minden kromoszómán található minden gén egy példánya. Csak néhány gén, például az rRNS gének találhatók több másolatban. Gének és szabályozó szekvenciák alkotják a prokarióták szinte teljes genomját. Ráadásul szinte minden gén szigorúan megfelel az általa kódolt aminosav-szekvenciának (vagy RNS-szekvenciának) (14. ábra).
Az eukarióta gének szerkezeti és funkcionális felépítése sokkal összetettebb. Az eukarióta kromoszómák tanulmányozása, majd később a teljes eukarióta genomszekvenciák szekvenálása számos meglepetést hozott. Sok, ha nem a legtöbb eukarióta génnek van egy érdekes tulajdonsága: nukleotidszekvenciájuk egy vagy több olyan DNS-régiót tartalmaz, amely nem kódolja a polipeptidtermék aminosavszekvenciáját. Az ilyen nem lefordított inszertek megzavarják a közvetlen megfelelést a gén nukleotidszekvenciája és a kódolt polipeptid aminosavszekvenciája között. Ezeket a nem lefordított szegmenseket a génekben ún intronok, vagy beépített sorozatok, és a kódoló szegmensek exonok. A prokariótákban csak néhány gén tartalmaz intronokat.
Tehát az eukariótákban gyakorlatilag nincs gének kombinációja operonokká, és az eukarióta gén kódoló szekvenciája leggyakrabban transzlált régiókra oszlik. - exonok, és le nem fordított szakaszok - intronok.
A legtöbb esetben az intronok funkcióját nem állapították meg. Általánosságban elmondható, hogy az emberi DNS-nek csak körülbelül 1,5%-a „kódol”, azaz információt hordoz fehérjékről vagy RNS-ről. A nagy intronokat figyelembe véve azonban kiderül, hogy az emberi DNS 30%-a génekből áll. Mivel a gének az emberi genom viszonylag kis részét teszik ki, jelentős mennyiségű DNS-t nem számolnak fel.
Rizs. 16. A gén szerkezetének vázlata eukariótákban - a kép ki van nagyítva
Minden génből először egy éretlen vagy pre-RNS szintetizálódik, amely intronokat és exonokat is tartalmaz.
Ezt követően megtörténik a splicing folyamat, melynek eredményeként az intronrégiók kivágásra kerülnek, és érett mRNS keletkezik, amelyből fehérje szintetizálható.
Rizs. 20. Alternatív illesztési eljárás - a kép ki van nagyítva
A gének ilyen szerveződése lehetővé teszi például azt, hogy egy génből egy fehérje különböző formái szintetizálhatók, mivel a splicing során az exonok különböző szekvenciákba fuzionálhatók.
Rizs. 21. Különbségek a prokarióták és eukarióták génjeinek szerkezetében - a kép ki van nagyítva
MUTÁCIÓK ÉS MUTAGÉZIS
mutáció perzisztens genotípus-változásnak, vagyis a nukleotidszekvencia változásának nevezzük.
A mutációhoz vezető folyamatot ún mutagenezis, és a szervezet minden amelynek sejtjei ugyanazt a mutációt hordozzák mutáns.
mutációs elmélet Hugh de Vries fogalmazta meg először 1903-ban. Modern változata a következő rendelkezéseket tartalmazza:
1. A mutációk hirtelen, hirtelen jönnek létre.
2. A mutációk nemzedékről nemzedékre öröklődnek.
3. A mutációk lehetnek előnyösek, károsak vagy semlegesek, dominánsak vagy recesszívek.
4. A mutációk kimutatásának valószínűsége a vizsgált egyedek számától függ.
5. Hasonló mutációk ismétlődően előfordulhatnak.
6. A mutációk nem irányítottak.
A mutációk különböző tényezők hatására fordulhatnak elő. Különbséget kell tenni az által okozott mutációk között mutagén hatások: fizikai (pl. ultraibolya vagy sugárzás), kémiai (pl. kolchicin vagy reaktív oxigénfajták) és biológiai (pl. vírusok). Mutációk is előidézhetők replikációs hibák.
Attól függően, hogy a feltételek a megjelenése mutációk vannak osztva spontán- vagyis normál körülmények között keletkezett mutációk, ill indukált- vagyis speciális körülmények között keletkezett mutációk.
A mutációk nemcsak a nukleáris DNS-ben fordulhatnak elő, hanem például a mitokondriumok vagy a plasztidok DNS-ében is. Ennek megfelelően meg tudjuk különböztetni nukleárisés citoplazmatikus mutációk.
A mutációk fellépése következtében gyakran új allélok jelenhetnek meg. Ha a mutáns allél felülírja a normál allélt, a mutációt hívják uralkodó. Ha a normál allél elnyomja a mutált allélt, a mutációt hívják recesszív. A legtöbb olyan mutáció, amely új allélokat eredményez, recesszív.
A mutációkat a hatás különbözteti meg alkalmazkodó, ami a szervezet környezethez való alkalmazkodóképességének növekedéséhez vezet, semleges amelyek nem befolyásolják a túlélést káros amelyek csökkentik az élőlények alkalmazkodóképességét a környezeti feltételekhez és halálos ami a szervezet halálához vezet a fejlődés korai szakaszában.
A következmények szerint mutációkat különböztetünk meg, amelyek a fehérjefunkció elvesztése, olyan mutációk, amelyek a megjelenése a fehérje új funkciót kapott, valamint olyan mutációk, amelyek módosítsa egy gén dózisát, és ennek megfelelően a belőle szintetizált fehérje adagja.
A mutáció a test bármely sejtjében előfordulhat. Ha egy csírasejtben mutáció következik be, azt ún magzati(csíra, vagy generatív). Az ilyen mutációk nem abban a szervezetben jelennek meg, amelyben megjelentek, hanem mutánsok megjelenéséhez vezetnek az utódokban, és öröklődnek, ezért fontosak a genetika és az evolúció szempontjából. Ha a mutáció bármely más sejtben fellép, akkor ún szomatikus. Egy ilyen mutáció bizonyos mértékig megnyilvánulhat abban a szervezetben, amelyben keletkezett, például rákos daganatok kialakulásához vezethet. Az ilyen mutáció azonban nem öröklődik, és nem érinti az utódokat.
A mutációk a genom különböző méretű részeit érinthetik. Kioszt genetikai, kromoszómálisés genomikus mutációk.
Génmutációk
Az egy génnél kisebb léptékben előforduló mutációkat nevezzük genetikai, vagy pontozott (pontozott). Az ilyen mutációk a szekvenciában egy vagy több nukleotid megváltozásához vezetnek. A génmutációk közé tartozikhelyettesítések, ami az egyik nukleotid helyettesítéséhez vezet egy másikkal,törlések ami az egyik nukleotid elvesztéséhez vezet,beszúrások, ami egy további nukleotid hozzáadásához vezet a szekvenciához.
Rizs. 23. Gén(pont)mutációk
A fehérje hatásmechanizmusa szerint a génmutációk a következőkre oszthatók:szinonim, amelyek (a genetikai kód degenerációja következtében) nem okoznak változást a fehérjetermék aminosav-összetételében,missense mutációk amelyek az egyik aminosav másikkal való helyettesítéséhez vezetnek, és befolyásolhatják a szintetizált fehérje szerkezetét, bár gyakran jelentéktelenek,nonszensz mutációk, ami a kódoló kodon lecseréléséhez vezet egy stopkodonra,olyan mutációk, amelyek ahhoz vezetnek splicing rendellenesség:
Rizs. 24. Mutációs sémák
Ezenkívül a fehérjére gyakorolt hatásmechanizmus szerint mutációkat izolálnak, amelyek a keretváltás olvasmányok például beszúrások és törlések. Az ilyen mutációk, mint a nonszensz mutációk, bár a gén egy pontján fordulnak elő, gyakran befolyásolják a fehérje teljes szerkezetét, ami a szerkezetének teljes megváltozásához vezethet.
Rizs. 29. Kromoszóma duplikáció előtt és után
Genomi mutációk
Végül, genomi mutációk a teljes genomot érintik, vagyis a kromoszómák száma megváltozik. Megkülönböztetik a poliploidiát - a sejt ploidiájának növekedését és az aneuploidiát, vagyis a kromoszómák számának változását, például triszómia (további homológ jelenléte az egyik kromoszómában) és monoszómia (a kromoszómák hiánya). homológ a kromoszómában).
Videó a DNS-hez kapcsolódik
DNS REPLIKÁCIÓ, RNS KÓDOLÁS, FEHÉRJESZINTÉZIS
2. blokk. DNS. Kérdések 5,6,7.
A DNS szerkezete. J. Watson és F. Crick modellje. Az örökítőanyag tulajdonságai és funkciói.
A genetikai anyag önreprodukciója. DNS replikáció.
Az örökletes anyag szerveződése pro- és eukariótákban. Nukleotid szekvenciák osztályozása az eukarióta genomban (egyedi, mérsékelten ismétlődő, erősen ismétlődő).
1868-ban F. Miescher svájci kémikus gennyből, majd lazac spermájából izolált sejtmagokban fedezett fel egy anyagot, amelyet "nukleinnek" (a latin nucleus - nucleus szóból) nevezett. Ezt követően R. Altmann (1889) arról számolt be, hogy az F. Miescher által izolált "nuklein" két frakcióból áll - fehérjéből és nukleinsavakból. A nukleinsavak a fehérjékhez hasonlóan elsődleges szerkezettel (ez alatt a nukleotidszekvenciájukat értjük) és háromdimenziós szerkezettel rendelkeznek. A DNS szerkezete iránti érdeklődés felerősödött, amikor a XX. század elején. volt egy olyan feltételezés, hogy DNS, esetleg genetikai anyag. 1952-ben Chargaff felfedezte a komplementaritás szabályát, amelyet később az alkotóról neveztek el. Ez abban rejlik, hogy:
- Az adenin mennyisége megegyezik a timin mennyiségével, a guanin pedig a citozin mennyiségével: A=T, G=C.
- A purinok száma megegyezik a pirimidinek számával: A + G = T + C.
- A 6. pozícióban lévő aminocsoportokat tartalmazó bázisok száma megegyezik a 6. pozícióban lévő ketocsoportokkal rendelkező bázisok számával: A+C=G+T.
Ezt követően Wilkinson röntgenfelvételt készített a DNS-ről. És valamivel később Watson és Crick 1953-ban saját DNS-modelljüket javasolta, amelyért Wilkinsonnal együtt 1962-ben Nobel-díjat kapott.
A DNS szerkezetének alapelvei.
1. DNS-nukleotid monomer, amely nitrogéntartalmú bázisból, dezoxiribózból és foszforsav-maradékból áll. Nitrogéntartalmú bázisok lehetnek purin A, G vagy pirimidin C, T.
2. A pentózmolekulában a nitrogéntartalmú bázisok a C1 szénatomhoz, a foszfát pedig a C5-höz kapcsolódnak. A harmadik atomnak mindig van egy csoportja Ő.
3. Amikor az egyik nukleotid foszfátja kölcsönhatásba lép a másik dezoxiribóz hidroxilcsoportjával, foszfodiészter kötés.
4. A nukleotidok kapcsolódása a pentóz OH-ján keresztül történik a C3-as pozícióba és a következő nukleotid foszfátján keresztül.
5. A DNS egy kettős polinukleotid lánc. Két polinukleotid láncot hidrogénkötések kötnek össze a komplementer elve A-T és G-C. Két hidrogénkötés van A és T között, és három hidrogénkötés T és C között.
6. Antiparallelizmus. Az egyik lánc 5 vége össze van kötve a másik lánc 3 végével.
7. A DNS-spirál átmérője 2 nm, a menethossz 3,4 nm. Körönként 10 bázispár van.
8. Elsődleges szerkezet- polinukleotid lánc.
másodlagos szerkezet- két komplementer antiparallel polinukleotid lánc.
Harmadlagos szerkezet- háromdimenziós spirál.
9. A DNS-nek megvan a képessége a replikációra.
REPLIKÁCIÓ.
1 - DNS templát láncok; 2 - helikáz enzim, amely elválasztja a mátrix DNS láncait; 3 - DSB-fehérjék, amelyek megakadályozzák a DNS-láncok újraegyesülését; 4 - prímáz; 5 - RNS primer (RNS polimeráz által szintetizálva - primáz); 6 - DNS-polimerázt szintetizáló leányláncok; 7 - a DNS vezető leányszála; 8 - a lemaradó DNS-szál Okazaki-fragmenseit összekötő ligáz; 9 - Okazaki fragmentum (150-200 nukleotid); 10 - topoizomeráz
Az új DNS-molekula szintézise félig konzervatív módon történik. Ez azt jelenti, hogy a leánymolekula egy szülőt és egy újonnan szintetizált szálat tartalmaz majd. Mivel a DNS-szintézis egyszálú templáton megy végbe, ezt a két szál kötelező ideiglenes szétválasztása előzi meg egy replikációs villa kialakításával. Elektronmikroszkóp segítségével megállapították, hogy a replikációs régió egy szemnek látszik a nem replikálódott DNS-ben (egy körülbelül 300 nukleotidból álló replikációs szem).
Replikon- DNS-fragmentum a replikáció kezdőpontjától a végpontig.
A DNS-spirál feloldásához, speciális enzimek (fehérjék). A replikációban számos enzim vesz részt, amelyek mindegyike saját funkcióját látja el.
DNS helikázok (helikázok) megszakítja a hidrogénkötéseket a bázisok között, szétválasztja a szálakat, és továbbítja a replikációs villát.
Destabilizáló fehérjék tartsa a láncokat.
A DNS egy topoizomeráz. Emlékezzünk vissza, hogy a DNS egy hélix. Ennek megfelelően ahhoz, hogy a villa előrehaladjon, a spirálnak gyorsan le kell tekernie. Ehhez azonban nagy energiaveszteségre lesz szükség. Valójában ez még mindig nem történik meg. Ezt elősegítik a DNS topoizomerázok. Egy- és kétszálú töréseket vezetnek be a láncba, lehetővé téve a láncok szétválását, majd megszüntetik ezeket a töréseket. Az egyik DNS-szálnak köszönhetően a második szál körül forogni kezd. Részt vesznek a körkörös DNS replikációja során keletkezett gyűrűk szétkapcsolásában is.
A DNS-szálak szintézise a segítségével történik DNS polimeráz. De ennek az enzimnek van egy sajátossága. Képes nukleotidokat hozzáadni egy meglévő lánc 3 végéhez. Az ilyen előre kialakított áramkört ún mag, amely szintetizálja prímás. Az RNS primer eltér a DNS-szál többi részétől, mivel ribózt tartalmaz. A mag mérete kicsi. A funkcióját betöltött magot egy speciális enzim távolítja el, és az ilyenkor kialakult rést megszünteti. DNS polimeráz(ebben az esetben mag helyett a szomszédos DNS fragmentum 3OH végét használja).
A DNS-replikáció feltételezi, hogy két szál szintézise egyidejűleg megy végbe. De a valóságban a dolgok nem egészen így működnek. Ne feledje, hogy a láncok ellentétesek.És egy új lánc szintézise csak az irányban történhet az 5. végétől a 3. végéig. Ezért a folyamatos szintézis csak egy láncon (vezető) megy végbe. A másodikon (lemaradva) okazaki töredékekben fordul elő. Az egyes fragmensek szintézisét RNS primer alkalmazásával hajtjuk végre. A primereket ezután eltávolítjuk, a hézagokat DNS-polimerázzal kitöltjük, és a fragmentumokat enzimmel térhálósítjuk. ligáz .
A DNS szerkezeti és funkcionális szerveződése pro- és eukariótákban
Tanulmányozza át a táblázatokat, másolja be őket egy munkafüzetbe.
Olvas:
|
Az öröklődést és a változékonyságot egy speciális anyagú szubsztrát működése biztosítja - genetikai apparátus.
Jelenlegi szakaszban a természettel kapcsolatos elképzelések lehetővé teszik a megkülönböztetést az örökítőanyag szerkezeti és funkcionális szerveződésének következő szintjei:
gén;
kromoszómális;
genomikus.
elemi szerkezet génszint szervezet az gén. A gének viszonylag függetlenek egymástól, így lehetséges az egyes tulajdonságok diszkrét (külön) és független öröklődése (Mendel harmadik törvénye) és változásai (mutációk).
Az eukarióta sejt gének benne találhatók kromoszómák, biztosítva kromoszóma szintörökítőanyag szervezése. Az ugyanazon kromoszómán lévő gének kapcsolódási csoportot alkotnak, és általában együtt továbbítják őket. Ez a szervezettségi szint szükséges feltétele a gének összekapcsolódásának és a szülői gének újraelosztásának az utódok ivaros szaporodása során (a kromoszómák és kromatidák keresztezése és véletlenszerű eltérése a pólusokhoz a meiózis során).
Egy szervezet génjeinek teljes halmaza funkcionálisan egy egészként viselkedik, és egyetlen rendszert alkot, ún genotípus (genom). Ugyanaz a gén különböző genotípusokban eltérő módon nyilvánulhat meg. Genomikus szint szervezete magyarázza az azonos és különböző kromoszómákon elhelyezkedő gének intra- és inter-allél kölcsönhatását.
A " kifejezés genom" a sejt DNS-ének teljes összetételét jelenti, vagyis az összes gén és intergenikus régió összességét.
Az emberi genom szerveződése(mint minden eukarióta faj) az elemek szekvenciális hierarchiája:
Nukleotidok;
Gének intergénikus régiókkal;
Komplex gének;
Kromoszómák karjai;
kromoszómák;
Haploid készlet extranukleáris DNS-sel együtt.
Az 1950-es évek elején bebizonyosodott az öröklődés és a változékonyság elemi funkcionális egysége, amely meghatározza egy sejt vagy szervezet egy adott tulajdonságának kialakulásának lehetőségét, az gén , amely bizonyos szerkezeti és funkcionális szervezettel rendelkezik.
A "gén" fogalmának fejlődése. A tulajdonságok öröklődésére vonatkozó külön információk már nagyon régóta ismertek, de átvitelük mintázatait először G. Mendel vázolta fel 1865-ben „Experiments on Plant Hybrids” című munkájában. A kortársak nem tulajdonítottak jelentőséget felfedezésének. A "gén" fogalma ekkor még nem létezett, G. Mendel pedig a csírasejtekben rejlő "örökletes hajlamokról" beszélt, amelyek természete ismeretlen.
1900-ban önállóan G. de Vries (Hollandia), E. Cermak (Ausztria) és K. Correns (Németország)újra felfedezte a törvényeket G. Mendel. Ezt az évet tekintik a genetika, mint tudomány születésének évének. 1902-ben T. Boveri, E. Wilson és D. Setton az örökletes tényezők és a kromoszómák kapcsolatát javasolta. 1906-ban W. Batson megalkotta a „genetika” kifejezést, és 1909-ben V. Johansen- "gén". 1911-ben T. Morgan az alkalmazottak pedig megfogalmazták az öröklődés kromoszómaelméletének főbb rendelkezéseit.
A XX. század elején. a gének stabilitásának és megváltoztathatatlanságának gondolata dominált ( A. Weisman, W. Batson), és ha változások történnek ( G. de Vries), majd spontán módon, a környezet hatásától függetlenül. Ezt a téves elképzelést indukált mutációk megszerzésével cáfolták G. A. Nadson és G. S. Filippov(1925) a gombáról, G. Meller(1927) a Drosophila és I.L. Stadler(1928) kukoricán.
Ugyanakkor volt egy elképzelés a gén oszthatatlanságáról. Az 1950-es évek végén azonban kimutatták, hogy a gén egy különálló egység. A fő funkció - a fehérjeszintézis programozása - ellátása során a gén egy integrált egységként működik, melynek megváltozása a fehérje molekula szerkezetének átrendeződését okozza. Benzer hívta ezt az egységet cisztronom. Méretében megközelítőleg megegyezik a génnel. Egy gén diszkrétsége abban rejlik, hogy alegységei vannak benne. A génvariáció elemi egységét, a mutáció mértékegységét ún muton, és a rekombináció egysége (homológ kromoszómák metszeteinek cseréje az I. meiózis profázisában) felderítés. A muton és a recon minimális mérete megegyezik egy pár nukleotiddal. Jelenleg egy nukleotidpárt tekintünk a gén elemi szerkezeti egységének, a kodont pedig funkcionális egységnek.
Az 1920-as években kiderült, hogy a kromoszómák fehérjékből és nukleinsavakból állnak. 1928-ban N.K. Kolcov felveti, hogy a gének funkcióit fehérjemolekulák látják el, és a fehérjék képesek önreprodukcióra. Később azonban bebizonyosodott, hogy a genetikai információ hordozója a DNS-molekula.
Ily módon , gén a nukleinsavak (polinukleotidok) szerkezeti egysége, amely a genetikai információ tárolásáért, továbbításáért és megvalósításáért felelős. "" kifejezés alatt gén" megérthetjük a DNS-ben lévő nukleotidok sorrendjét, amely meghatároz egy bizonyos funkciót (morfológiai, fiziológiai, biokémiai, immunológiai, klinikai és bármilyen más diszkrét egységet) a szervezetben. Gén képviseli az örökítőanyag minimális mennyisége, amely a t-RNS, r-RNS vagy bizonyos tulajdonságokkal rendelkező peptid szintéziséhez szükséges. A modern elképzelések szerint gén- Ez egy DNS-molekula szakasza, amely egy adott polipeptid vagy nukleinsav szintéziséről nyújt információt.
Az emberi genomban több mint 30 000 gén található. Az emberi gének mérete igen változatos, de a legtöbb 50 000 bázispárig terjed. Megvalósul a gének átvitele sejtek vagy organizmusok generációiban anyagi utódlás- Tulajdonságok öröklődése a szülőktől utódok által.
Gén tulajdonságai. A géneket bizonyos tulajdonságok jellemzik:
Ø specifitás (minden szerkezeti génnek megvan a maga nukleotidsorrendje, és meghatározza egy adott polipeptid szintézisét),
Ø integritás (polipeptid szintézisének programozásakor a gén oszthatatlan egységként működik) és diszkrétség (alegységek jelenléte),
Ø stabilitás (viszonylag stabil) és labilitás (mutálódási képesség),
Ø pleiotrópia (egy gén több tulajdonság megnyilvánulásáért is felelős lehet),
Ø expresszivitás (fenotípusos megnyilvánulás mértéke) és penetrancia (génexpresszió gyakorisága).
A génnek mint az öröklődési és változékonysági anyag funkcionális egységének főbb tulajdonságait az határozza meg kémiai szervezet .
A gén szerkezete három nukleotidból álló kodonkészlet (egy triplet kód). A gén információkat tartalmaz a fehérje szerkezetéről, és minden kodon információt tartalmaz egy aminosav szerkezetéről és a fehérjemolekulában való elhelyezkedéséről.
Ma már ismert, hogy a gén összetett belső szerkezettel rendelkezik, és az egyes szakaszok különböző funkciót töltenek be. A génben megkülönböztethető a legnagyobb rész, ami tulajdonképpen meghatározza a polipeptid szerkezetét. Ezt a részt "cisztronnak" nevezik, és több tízezer bázispár hosszúságú lehet. Egyes gének több cisztront tartalmaznak (policisztron vagy szerkezeti gének). A vizsgálatok kimutatták, hogy a gén mérete nagyobb, mint a polipeptid mérete. Ebből a következtetés, hogy a gén olyan nukleotid szekvenciákat tartalmaz, amelyek nem befolyásolják a polipeptid szerkezetét, de szükségesek a szerkezeti rész (szerkezeti gén) megfelelő működéséhez. Ez a gén (vagy génoperátor) szabályozó része. Az operátor gén több cisztron gén tevékenységét szabályozza, és közvetlenül mellettük található. A szerkezeti gének egy csoportjából és egy operátorgénből álló komplex operont alkot. Izolálnak egy szabályozó gént is, amely az operon aktivitását egy általa termelt speciális anyag - egy represszor - segítségével szabályozza. A represszor az operátor génre hatva gátolja azt és csökkenti a hozzá kapcsolódó cisztronok aktivitását.
A gének blokkokká egyesülnek, amelyek egy DNS-szálat alkotnak. Ugyanakkor lineáris sorrendbe rendeződnek, ami tovább határozza meg a DNS és a kromoszómák fonalszerű szerkezetét.
Az örökítőanyag kémiai természetét vizsgáló tanulmányok ezt cáfolhatatlanul bebizonyították az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja az nukleinsavak polimerek, amelyekből állnak nukleotid monomerek, amelyek három összetevőt tartalmaznak:
Cukor (pentóz);
nitrogén bázis.
Között nukleinsavak megkülönböztetni kétféle kapcsolat:
dezoxiribonukleinsav (DNS);
Ribonukleinsav (RNS).
A DNS az örökletes információ őrzője a pro- és eukarióták minden sejtjében (vírusokban ezt a funkciót egy RNS-molekula is elláthatja); Az RNS továbbítja és megvalósítja a genetikai információkat.
Dezoxiribonukleinsav (DNS)- kémiailag stabilabb komponens, öröklődés és változékonyság szubsztrátja.
A DNS-molekula szerkezetét megfejtették J. Watson, F. Crick és M. Wilkins 1953-ban. A modell szerint D. Watson és F. Crick, a DNS-molekula két egymással párhuzamosan mereven rögzített és kettős hélix antiparallel (szemben a 3 "egy lánc vége a másik 5" vége) polinukleotid láncból áll, amelyek láncszemei alkotják nukleotidok.
Először is, a genetikai anyagnak képesnek kell lennie az önreplikációra a szaporodási folyamat során örökletes információkat továbbítanak, amelyek alapján egy új generáció kialakítására kerül sor. Másodszor, annak érdekében, hogy a jellemzők stabilitása több generáción keresztül biztosítható legyen, az örökítőanyagnak állandóan meg kell tartania szervezeti felépítését. Harmadszor, az öröklődés és a változékonyság anyagának képesnek kell lennie a változások megszerzésére és azok reprodukálására, lehetővé téve az élőanyag történeti fejlődését változó körülmények között. Az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja csak akkor tudja biztosítani az élőtermészet létezésének és fejlődésének tartamát, folytonosságát, ha megfelel a meghatározott követelményeknek.
A genetikai apparátus természetére vonatkozó modern elképzelések lehetővé teszik a szervezet három szintjének megkülönböztetését: gén, kromoszómális és genomiális. Mindegyiken megnyilvánulnak az öröklődés és változékonyság anyagának főbb tulajdonságai, átvitelének és működésének bizonyos mintái.
A nukleinsavak közül kétféle vegyületet különböztetnek meg: dezoxiribonukleinsav (DNS) és ribonukleinsav (RNS). Az örökletes anyag fő hordozóinak - a kromoszómáknak - összetételének vizsgálata során kiderült, hogy kémiailag legstabilabb komponensük a DNS, amely az öröklődés és a változékonyság szubsztrátja. A DNS szerkezete. J. Watson és F. Crick modellje
A DNS áll cukrot tartalmazó nukleotidokból - dezoxiribóz, foszfát és a nitrogénbázisok egyike - purin (adenin vagy guanin) vagy pirimidin (timin vagy citozin) A DNS szerkezeti felépítésének sajátossága, hogy molekulái két polinukleotid láncot tartalmaznak, amelyek egy bizonyos szakaszban kapcsolódnak egymáshoz út. Az 1953-ban J. Watson amerikai biofizikus és F. Crick angol biofizikus és genetikus által javasolt háromdimenziós DNS-modellnek megfelelően ezek a láncok nitrogénbázisaik között hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a komplementaritás elve szerint. Az egyik lánc adeninje két hidrogénkötéssel kapcsolódik egy másik lánc timinjéhez, és három hidrogénkötés jön létre a különböző láncú guanin és citozin között. A nitrogénbázisok ilyen kapcsolata erős kapcsolatot biztosít a két lánc között, és mindvégig egyenlő távolságot tart közöttük. A DNS fő funkciója az, hogy örökletes információkat tároljon és továbbítson a pro- és eukarióta sejtekben. Vírusokban ezt a funkciót az RNS.NA látja el. A DNS felépítése és szerkezete. DNS tulajdonságai.
1. Stabilitás. Hidrogén-, glikozid- és foszfodiészter kötések, valamint a spontán és indukált károsodások helyreállítási mechanizmusa biztosítja;
2. Replikációs képesség. Ennek a mechanizmusnak köszönhetően a kromoszómák diploid száma megmarad a szomatikus sejtekben. Sematikusan a DNS mint genetikai molekula összes felsorolt jellemzője az ábrán látható.
3. Genetikai kód jelenléte. A DNS-ben lévő bázisszekvenciát a transzkripciós és transzlációs folyamatok alakítják át a polipeptidlánc aminosav-szekvenciájává;
4. Genetikai rekombináció képessége. Ennek a mechanizmusnak köszönhetően a kapcsolt gének új kombinációi jönnek létre.
Javítás- a sejtek speciális funkciója, amely abban áll, hogy képesek kijavítani a sejtben a normál DNS-bioszintézis során, illetve a fizikai vagy kémiai hatásoknak való kitettség következtében károsodott DNS-molekulák kémiai károsodásait és töréseit. Ezt a sejt speciális enzimrendszerei végzik. Számos örökletes betegség (pl. xeroderma pigmentosum) összefüggésbe hozható a javítórendszer károsodásával.
DNS replikáció- a dezoxiribonukleinsav leánymolekula szintézisének folyamata a kiindulási DNS-molekula mátrixán. Az anyasejt ezt követő osztódása során minden leánysejt egy DNS-molekula egy példányát kap, amely azonos az eredeti anyasejt DNS-ével. Ez a folyamat biztosítja a genetikai információ pontos átvitelét generációról generációra. A DNS-replikációt egy 15-20 különböző fehérjéből álló komplex enzimkomplex végzi, az úgynevezett repliszóma.
Genetikai kód- ez egy rekord a DNS-molekula egyedi régióiban a fehérjék és polipeptidek szerkezetére vonatkozó információkról. Crick és munkatársai azt javasolták, hogy az információkat blokkokon – kodonokon – keresztül kell kifejezni. Azt javasolták, hogy a kodonoknak legalább 3 nukleotidot kell tartalmazniuk. Miért?A természetben 20 különböző aminosavat találtak, amelyekből minden fehérje elkészül. 20 aminosavváltozat kódolásához a genetikai kódnak legalább 3 nukleotidot kell tartalmaznia, mert két nukleotidból csak 4 = 16 opció kombinálható, és három nukleotidból - 43 = 64 lehetőség .. A genetikai kód teljes dekódolását a XX. század 60-as éveiben végezték el. Kiderült, hogy a tripletek 64 lehetséges változata közül 61 különböző aminosavakat kódol, 3 pedig értelmetlen, vagy STOP kodon: UAG, UAA, UGA kodon, amelyeknél az öröklődő információ olvasása leáll (4.6. ábra).
A genetikai kód tulajdonságai
1. Tripletitás: minden kodon 3 nukleotidot tartalmaz^
2. Univerzálisság: a Földön létező összes élő szervezetnek ugyanaz a genetikai kódja, amely minden élőlény eredetének egységét jelzi. Az AGA kodon az arginin aminosavat kódolja baktériumokban, emberekben és minden élőlényben.
3. Degeneráció; 61 hármas 20 aminosavonként. Ebből következik, hogy egyes aminosavakat több hármassal kell titkosítani. Ez nagyon fontos, mert a nukleotid szubsztitúció nem mindig eredményez aminosav szubsztitúciót). Például a valin aminosavat három triplet kódolja: GTT, GTC, GTA, GTG.
4. Specificitás: minden triplett csak 1 aminosavnak felel meg: csak GTT-t tartalmazó valin. Az ATG kodon a startkodon (metionin).
5. Univerzálisság: a Földön létező összes élő szervezetnek ugyanaz a genetikai kódja, amely minden élőlény eredetének egységét jelzi. Az AGA kodon az arginin aminosavat kódolja baktériumokban, emberekben és minden élőlényben.
6. ^ Folytonosság és átfedésmentesség (rés nélkül olvasható).
Mátrix, vagy információ, RNS (mRNS vagy mRNS). Átírás. A kívánt tulajdonságokkal rendelkező fehérjék szintetizálása érdekében „utasítást” küldenek a felépítésük helyére abban a sorrendben, ahogyan az aminosavak bekerülnek a peptidláncba. Ezt az utasítást a megfelelő DNS szakaszokon szintetizált mátrix vagy információs RNS (mRNS, mRNS) nukleotidszekvenciája tartalmazza. Az mRNS szintézis folyamatát transzkripciónak nevezik. Az mRNS szintézise azzal kezdődik, hogy az RNS polimeráz felfedez egy speciális helyet a DNS-molekulában, amely jelzi a transzkripció kezdetének helyét - a promotert. A promoterhez való kapcsolódás után az RNS-polimeráz letekerteti a DNS-hélix szomszédos fordulatát. Ezen a ponton két DNS-szál válik szét, és az egyiken az enzim mRNS-t szintetizál. A ribonukleotidok láncba építése a DNS-nukleotidokkal való komplementaritásuknak megfelelően, valamint a templát DNS-lánccal antiparallel módon történik. Tekintettel arra, hogy az RNS-polimeráz csak az 5'-végétől a 3'-végéig képes polinukleotidot összeállítani, a két DNS-szál közül csak az egyik szolgálhat templátként a transzkripcióhoz, mégpedig az, amelyik az enzimmel szemben áll. ' vége ( 3" → 5"). Az ilyen láncot kodogénnek nevezzük. A DNS-molekulában lévő két polinukleotid lánc kapcsolódásának antiparallelizmusa lehetővé teszi az RNS-polimeráz számára, hogy megfelelően válassza ki a templátot az mRNS-szintézishez.
A kodogén DNS-lánc mentén haladva az RNS-polimeráz fokozatosan, precízen átírja az információkat, amíg nem találkozik egy specifikus nukleotidszekvenciával - egy transzkripciós terminátorral. Ebben a régióban az RNS-polimeráz elválik mind a DNS-templáttól, mind az újonnan szintetizált mRNS-től (3.25. ábra). A DNS-molekula egy fragmentuma, amely magában foglal egy promotert, egy átírt szekvenciát és egy terminátort, egy transzkripciós egységet – egy transzkripciót – képez.
A szintézis során, ahogy az RNS-polimeráz a DNS-molekula mentén mozog, a DNS egyszálú szakaszai, amelyeken áthaladt, ismét kettős hélixté egyesülnek. A transzkripció során képződött mRNS a DNS megfelelő szakaszában rögzített információk pontos másolatát tartalmazza. Három szomszédos mRNS-nukleotidot, amelyek aminosavakat kódolnak, kodonoknak nevezünk. Az mRNS kodonszekvencia a peptidlánc aminosav-szekvenciáját kódolja. Egyes aminosavak mRNS kodonoknak felelnek meg.A DNS kodonlánca az mRNS transzkripció templátjaként szolgál, az enzim felé 3 "végével. RNS láncok 5" → 3 irányban ribonukleozid-grifoszfátok kapcsolásával szemben; IV - az enzim felszabadulása 5" a szintetizált RNS vége és a DNS kettős hélix helyreállítása; V - RNS szintézis vége a terminátor régióban, a polimeráz elválasztása a teljes RNS lánctól
^ RNS (tRNS) átvitele. Adás. A transzfer RNS (tRNS) fontos szerepet játszik abban a folyamatban, hogy a sejt felhasználja az örökletes információkat. A tRNS transzlációs közvetítőként működik, a szükséges aminosavakat a peptidláncok összeépülésének helyére juttatva, a TRNS molekulák bizonyos DNS szekvenciákon szintetizált polinukleotid láncok. Viszonylag kis számú nukleotidból állnak -75-95. A tRNS polinukleotid lánc különböző részein elhelyezkedő bázisok komplementer kapcsolódása eredményeként lóherelevél alakra emlékeztető szerkezetet kap, négy fő részből áll, amelyek különböző funkciókat látnak el. Az akceptor "szárat" a tRNS két, egymással komplementer módon összekapcsolt terminális része alkotja. Hét bázispárból áll. Ennek a szárnak a 3"-os vége valamivel hosszabb, és egyszálú régiót alkot, amely egy szabad OH-csoporttal rendelkező CCA-szekvenciában végződik. Ehhez a véghez egy transzportálható aminosav kapcsolódik. A maradék három elágazás komplementer-páros nukleotidszekvenciák, amelyek párosítatlan hurokképző régiókban végződnek, ezeknek az ágaknak a közepe - antikodon - öt pár nukleotidból áll, és a hurok közepén egy antikodont tartalmaz.Az antikodon három nukleotid, amely komplementer az aminosavat kódoló mRNS kodonnal ez a tRNS szállítja a peptidszintézis helyére.
Az akceptor és az antikodon ágak között két oldalág található. A hurkokban módosított bázisokat tartalmaznak - dihidrouridint (D-hurok) és egy TψC triplettet, ahol \y pszeudouriain (T^C-hurok). Az aiticodon és a T^C elágazás között egy további hurok található, amely 3-5-13-21 nukleotidot tartalmaz.Általában a tRNS különböző típusaira jellemző a nukleotidszekvencia bizonyos állandósága, amely legtöbbször 76 nukleotidból áll. nukleotidok. Számuk eltérése elsősorban a további hurokban lévő nukleotidok számának változásából adódik. A tRNS szerkezetét támogató komplementer régiók általában konzerváltak. A tRNS elsődleges szerkezete, amelyet a nukleotidok sorrendje határoz meg, a tRNS másodlagos szerkezetét alkotja, amely lóhere levél alakú. A másodlagos szerkezet viszont háromdimenziós harmadlagos szerkezetet okoz, amelyet két egymásra merőleges kettős hélix képződése jellemez (3.27. ábra). Az egyiket az akceptor és a TψC ágak, a másikat az antikodon és a D ágak alkotják.
Az egyik kettős hélix végén a szállított aminosav, a másik végén az antikodon található. Ezek a területek vannak a legtávolabb egymástól. A tRNS harmadlagos szerkezetének stabilitását a polinukleotid lánc különböző részein elhelyezkedő, de a tercier szerkezetben térben közeli bázisai között további hidrogénkötések megjelenése tartja fenn.
A különböző típusú tRNS-ek hasonló harmadlagos szerkezettel rendelkeznek, bár bizonyos eltérésekkel.
^ I - a tRNS másodlagos szerkezete "lóherelevél" formájában, amelyet elsődleges szerkezete (a láncban lévő nukleotidok szekvenciája) határoz meg;
II - a tRNS harmadlagos szerkezetének kétdimenziós vetülete;
III - a tRNS-molekula elrendezése a térben
A tRNS egyik jellemzője a szokatlan bázisok jelenléte, amelyek kémiai módosítás eredményeként keletkeznek, miután egy normál bázist beépítettek a polinukleotid láncba. Ezek a megváltozott bázisok meghatározzák a tRNS-ek nagy szerkezeti diverzitását szerkezetük általános tervében. A legérdekesebbek az antikodont alkotó bázisok módosításai, amelyek befolyásolják az antikodonnal való kölcsönhatás specifitását. Például az atipikus bázis inozin, amely néha a tRNS antikodon 1. pozíciójában található, képes komplementeren kombinálódni az mRNS három különböző harmadik bázisával - U, C és A (3.28. ábra). Mivel a genetikai kód egyik jellemzője a degeneráltsága, sok aminosavat több kodon kódol, amelyek általában a harmadik bázisukban különböznek egymástól. A módosított antikodonbázis nem specifikus kötődése miatt egy tRNS több szinonim kodont is felismer.
Többféle tRNS létezését is megállapították, amelyek képesek ugyanahhoz a kodonhoz kötődni. Ennek eredményeként a sejtek citoplazmájában nem 61 (a kodonok száma szerint), hanem körülbelül 40 különböző tRNS-molekula található. Ez a mennyiség elegendő ahhoz, hogy 20 különböző aminosavat a fehérje-összeállító helyre szállítson.
Az mRNS-ben egy bizonyos kodon pontos felismerésének funkciója mellett a tRNS-molekula egy szigorúan meghatározott, ezzel a kodonnal kódolt aminosavat szállít a peptidlánc szintézisének helyére. A tRNS specifikus kapcsolódása "aminosavához" két szakaszban megy végbe, és egy aminoacil-tRNS nevű vegyület képződéséhez vezet.Az első szakaszban az aminosav aktiválódik, a karboxilcsoportjával az ATP-vel kölcsönhatásba lépve. Ennek eredményeként adipilált aminosav képződik. A második szakaszban ez a vegyület kölcsönhatásba lép a megfelelő tRNS 3"-os végén található OH-csoporttal, és az aminosav ehhez kapcsolja karboxilcsoportját, AMP-t szabadítva fel. Ez a folyamat tehát a folyamat során nyert energiafelhasználással megy végbe. ATP hidrolízise AMP-vé Az aminosav és a megfelelő antikodont hordozó tRNS kombinációjának specificitása az aminoacil-tRNS szintetáz enzim tulajdonságainak köszönhető. A citoplazmában olyan enzimek egész sora található, amelyek képes -
térbeli felismerése egyrészt aminosavának, másrészt a megfelelő tRNS antikodonjának Először is, az aminoacil-tRNS szintetáz enzim biztosítja a tRNS és az általa szállított aminosav összekapcsolását. Az aminoacil-tRNS ezután komplementeren párosul az mRNS-sel antikodon-kodon kölcsönhatás révén. A tRNS rendszer segítségével az mRNS nukleotid lánc nyelve. lefordítva a Ribosomal RNS (rRNS) peptid aminosavszekvenciájának nyelvére. A fehérjeszintézis riboszómális ciklusa. Az mRNS és a tRNS közötti kölcsönhatás folyamata, amely biztosítja az információknak a nukleotidok nyelvéből az aminosavak nyelvére történő lefordítását, riboszómákon megy végbe, az utóbbiak rRNS és különböző fehérjék komplex komplexei, amelyekben az előbbiek alkotnak vázat. . A riboszómális RNS-ek nem csak a riboszómák szerkezeti alkotóelemei, hanem egy specifikus mRNS nukleotidszekvenciához való kötődésüket is biztosítják. Ez beállítja a peptidlánc kialakulásának kezdő és leolvasási keretét. Ezenkívül kölcsönhatást biztosítanak a riboszóma és a tRNS között. Számos riboszómát alkotó fehérje az rRNS-sel együtt strukturális és enzimatikus szerepet is betölt.A pro- és eukarióták riboszómái szerkezetükben és működésükben nagyon hasonlóak. Két részrészecskéből állnak: nagy és kicsi. Az eukariótákban a kis alegységet egy rRNS-molekula és 33 különböző fehérjemolekula alkotja. A nagy alegység három rRNS-molekulát és körülbelül 40 fehérjét egyesít. A prokarióta riboszómák, valamint a mitokondriális és plasztid riboszómák kevesebb komponenst tartalmaznak, a riboszómák két barázdával rendelkeznek. Az egyik a növekvő polipeptidláncot, a másik az mRNS-t tartja. Ezenkívül két tRNS-kötő helyet izolálnak a riboszómákban. Az aminoacil-tRNS az aminoacil A-helyen található, és egy specifikus aminosavat hordoz. A peptidil, P-szekcióban általában található a tRNS, amely peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavlánccal van megterhelve. Az A- és P-helyek kialakítását a riboszóma mindkét alegysége biztosítja, a riboszóma minden pillanatban leárnyékol egy körülbelül 30 nukleotid hosszú mRNS-szakaszt. Ez csak két tRNS kölcsönhatását biztosítja két szomszédos mRNS kodonnal.Az információk aminosavak "nyelvére" történő fordítása a peptidlánc fokozatos felépítésében fejeződik ki, az mRNS-ben található utasításoknak megfelelően. Ez a folyamat a riboszómákon megy végbe, amelyek a szekvenciát biztosítják az információk tRNS segítségével történő megfejtéséhez. A transzláció során három fázis különböztethető meg: a peptidlánc szintézisének beindítása, megnyúlása és befejezése.
^ Az iniciációs fázis vagy a peptidszintézis kezdete abból áll, hogy a riboszóma két olyan alrészecskéjét egyesítik, amelyek korábban a citoplazmában az mRNS egy bizonyos helyén elkülönültek, és ehhez kapcsolják az első aminoacil-tRNS-t. Ez egyben meghatározza az mRNS-ben található információk leolvasásának keretét is. Bármely mRNS molekulájában, annak 5"-os végének közelében van egy hely, amely komplementer a riboszóma kis alegységének rRNS-ével, és azt specifikusan felismeri. hozzá a metionin aminosavat kódoló AUT indító kodon A riboszóma kis alegysége úgy kapcsolódik az mRNS-hez, hogy az OUT startkodon a P-helynek megfelelő területen helyezkedik el.Ugyanakkor idővel csak a metionint hordozó iniciáló tRNS tud helyet foglalni a kis alegység befejezetlen P-helyén, és komplementer kapcsolódni a startkodonhoz. A leírt esemény után a riboszóma nagy és kis alrészecskéi annak kialakulásával peptidil és aminoacil szakaszok
^ I - a riboszóma kis szubchapshchiájának összekapcsolása mRNS-sel, kapcsolódás a metionint hordozó tRNS startkodonjához, amely a befejezetlen P-helyen található; II - a riboszóma nagy és kis részecskéinek összekapcsolása P- és A-helyek kialakulásával; a következő szakasz a benne elhelyezkedő mRNS kodonnak megfelelő aminoacil-tRNS A-helyre kerülésével, az elongáció kezdetével társul; ak - aminosav Az iniciációs fázis végén a P-helyet a metioninhoz kapcsolódó aminoacil-tRNS foglalja el, míg a riboszóma A-helyén a startkodont követő kodon található. Az iniciációs fázis befejeződése és a riboszóma - mRNS - iniciáló aminoacil-tRNS komplex kialakulása után ezek a faktorok leválik a riboszómáról Az elongációs fázis, vagy a peptid elongáció magában foglalja az összes reakciót az első peptidkötés kialakulásától kezdve egészen az első peptidkötés kialakulásáig. az utolsó aminosav hozzáadása. Ez egy ciklikusan ismétlődő esemény, amelyben az A-helyen található következő kodon aminoacil-tRNS specifikus felismerése, az antikodon és a kodon közötti komplementer kölcsönhatás.
A tRNS háromdimenziós szerveződésének sajátosságai miatt. amikor antikodonja mRNS kodonhoz kapcsolódik. az általa szállított aminosav az A-helyen, a korábban benne szereplő P-helyen található aminosav szomszédságában található. Két aminosav között peptidkötés jön létre, amelyet a riboszómát alkotó speciális fehérjék katalizálnak. Ennek eredményeként az előző aminosav elveszíti kapcsolatát tRNS-ével, és csatlakozik az A-helyen található aminoacil-tRNS-hez. Az ebben a pillanatban a P-helyen található tRNS felszabadul és a citoplazmába kerül A peptidlánccal terhelt tRNS mozgását az A-helyről a P-helyre a riboszóma előrehaladása kíséri az mRNS mentén. egy kodonnak megfelelő lépéssel. Most a következő kodon érintkezik az A hellyel, ahol specifikusan "felismeri" a megfelelő aminoacil-tRNS, amely oda helyezi el az aminosavát. Ez az eseménysor mindaddig ismétlődik, amíg a riboszóma A-helye olyan terminátor kodont kap, amelyhez nincs megfelelő tRNS A peptidlánc összeállítása a hőmérséklettől függően kellően nagy sebességgel megy végbe. Baktériumokban 37 °C-on 12-17 aminosav 1 másodpercenkénti hozzáadásával fejeződik ki a szubdipeptidhez. Az eukarióta sejtekben ez az arány alacsonyabb, és két aminosav 1 másodpercen belüli hozzáadásával fejeződik ki.
^ A terminációs fázis vagy a polipeptid szintézis befejeződése ahhoz kapcsolódik, hogy egy specifikus riboszomális fehérje felismeri az egyik terminációs kodont (UAA, UAG vagy UGA), amikor az belép a riboszóma A-hely zónájába. Ebben az esetben a víz a peptidlánc utolsó aminosavához kapcsolódik, és a karboxil vége elválik a tRNS-től. Ennek eredményeként az elkészült peptidlánc elveszíti kapcsolatát a riboszómával, amely két részecske részre bomlik.
Az öröklődés változékonysága. 1-2 Mendel törvénye
Az élővilág létezésének folyamatossága és történelmi fejlődése az élet két alapvető tulajdonságának köszönhető: öröklődés és változatosság.
Az élőlények szerveződésének sejtes és szervezeti (ontogenetikai) szintjén az öröklődés alatt a sejtek vagy organizmusok azon tulajdonságát értjük az önszaporodás folyamatában, hogy az új nemzedéknek átadják egy bizonyos típusú anyagcsere és egyedfejlődés képességét, melynek során kialakítják az adott sejttípus és élőlénytípus közös jellemzőit és tulajdonságait, valamint a szülők egyes egyéni jellemzőit. Az élőtermészet időbeni fennmaradása a változó feltételek mellett lehetetlen lenne, ha az élő rendszerek nem lennének képesek bizonyos, az új környezeti viszonyok között hasznos változásokat megszerezni és fenntartani. Az élő rendszereknek azt a tulajdonságát, hogy változásokat szereznek és különböző változatokban léteznek, változékonyságnak nevezzük.
A 60-as években. 19. század a genetika (az öröklődés és változékonyság tudományának) megalapítója G. Mendel (1865) megtette az első feltételezéseket az örökítőanyag szerveződéséről. Borsón végzett kísérleteinek eredményei alapján arra a következtetésre jutott, hogy az örökítőanyag diszkrét, i.e. az élőlények bizonyos jellemzőinek kialakulásáért felelős egyéni örökletes hajlamok képviselik. Mendel szerint az ivarosan szaporodó élőlények örökítőanyagában egyetlen tulajdonság kialakulását egy pár allél hajlam biztosítja, amely mindkét szülő csírasejtjével érkezett. Az ivarsejtek kialakulása során az allél hajlampárból csak egy kerül mindegyikbe, ezért az ivarsejtek mindig „tiszták”. 1909-ben V. Johansen Mendel „örökletes hajlamainak” nevezte a géneket.
Mendel csak az egyik szülő tulajdonságának a hibridekben való megnyilvánulását dominanciának nevezte.
Ha olyan organizmusokat keresztezünk, amelyek egy pár kontrasztos tulajdonságban különböznek egymástól, amelyekért egy gén alléljei felelősek, az első generációs hibridek fenotípusában és genotípusában egységesek. A fenotípus szerint az első generáció összes hibridjét domináns tulajdonság jellemzi, a genotípus szerint az első generációs hibridek mindegyike heterozigóta
