Біологія 11 клас

Терміни і поняття: структурний ген (локус); регуляторний ген; кластери генів; екзон; інтрон; організація геному; сателітна ДНК.

Розвиток уявлень про будову гена. В міру розвитку генетики і накопичення знань про генетичні процеси умоглядне уявлення про ген як про абстрактну одиницю спадковості, введене в науковий вжиток у 1909 p., почало набувати дедалі конкретніших рис. Спочатку гени у хромосомах уявляли як нитку з намистинок, механічно зв’язаних одна з одною. Лише деякі тогочасні вчені розглядали хромосому як величезну молекулу, в якій гени були окремими ділянками. При цьому вони вважали ген чимось неподільним і відтак мутації такими, що стосувалися гена в цілому. У цей період ще ніхто не знав, що ДНК і є речовиною — носієм генетичної інформації. Спадковою речовиною тоді вважали білки.

Тільки наприкінці 30-х років XX ст. з’явилися перші відомості про те, що ген подільний. Відповідні дослідження провели видатний російський генетик Олександр Сергійович Серебровський (1892—1948) та його учні. Вони вивчали мутації, які призводили до зникнення щетинок на тілі дрозофіли. Вивчення мінливості різних груп щетинок наштовхнуло на думку, що вони кодуються різними алелями одного і того самого гена, причому ці алелі утворюються в результаті мутування різних субодиниць цього гена. Надалі виявилося, що кросинговер може роз’єднати не тільки різні гени, а й проходити безпосередньо всередині гена. Це також підтвердило подільність гена.

Після доведення того, що ДНК є носієм генетичної інформації, стало ясно, що структурний ген, або, як його ще називають, локус — це ділянка ДНК, що складається із специфічної послідовності нуклеотидів і має специфічний вплив на один або кілька ознак організму.

Сучасні уявлення про будову структурного гена. Подальші дослідження однозначно довели, що структурні гени — справді ділянки ДНК, на яких відбувається синтез РНК. Залежно від того, який тип РНК синтезується, виділили різні типи генів.

Мал. 58. Розташування ядерець (чорні кружки) на хромосомах людини.

Якщо на ділянках ДНК відбувається синтез іРНК, яка є матрицею для синтезу білків, то такі гени називають білковими генами, або білковими локусами. Підраховано, що структурний ген містить у середньому не менше тисячі пар нуклеотидів, що дає змогу закодувати один поліпептидний ланцюг, який складається з близько 300 амінокислот. Якщо на ділянці ДНК відбувається синтез транспортних РНК, то це гени (локуси) тРНК. Якщо здійснюється синтез рибосомальних РНК — то це гени (локуси) рРНК.

Ділянки, де перебувають гени, що кодують рРНК, добре помітні навіть у світловий мікроскоп. Вони дістали назву ядерець. їх може бути від однієї до кількох пар (мал. 58), розміщуються вони на різних хромосомах тварин і людини. Ядерця добре помітні тому, що на певній ділянці ДНК збирається кілька генів, кожний з яких кодує певний тип рРНК. Ці групи називають кластерами (від англ. скупчення). Через те, що будь-яка клітина потребує величезної кількості рРНК, що використовується для побудови рибосом, кожний з генів рРНК продубльований кілька разів і до того ж ампліфікований, тобто представлений кількома копіями нуклеотидних послідовностей, які реплікувалися зі структурних генів.

Надалі з’ясували: якщо вся нуклеотидна послідовність ДНК білкового локусу повністю бере участь у кодуванні послідовності іРНК, то не вся первинна іРНК є матрицею для наступного синтезу білка. Частину ділянок ІРНК у процесі її так званого дозрівання вирізають спеціальні ферменти, а ті, що залишилися, утворюють вторинну ІРНК, з матриці якої, власне, і відбувається синтез білків.

Ділянки ДНК, які у процесі дозрівання іРНК вирізаються, дістали назву інтронів (від англ. intervening sequence — проміжна послідовність), а ті, що потім зшиваються і служать матрицею для трансляції, — екзонів (від англ. expression — вираження) (мал. 59). Зазвичай у нуклеотидній послідовності одного локусу, що кодує білок, налічують три — п’ять інтронів. Така інтронно-екзонна структура генів характерна тільки для еукаріотичних організмів, у бактерій її немає.

Чому структурні гени еукаріотів мають таку складну структуру. Оскільки інтронно-екзонна організація є властивістю генів лише еукаріотів, цілком обґрунтоване припущення: така складна структура генів — прогресивне еволюційне пристосування еукаріотичних організмів. Вважають, що, насамперед,

Мал. 59. Тонка структура гена і схема дозрівання іРНК, пов’язана з вирізанням інтронів.

це може бути механізмом, який обмежує мутаційний процес. При цьому інтрони виконують функцію «пасток» мутацій. Адже зміна нуклеотидних послідовностей у частинах структурного гена, що не кодується, не призведе до мутацій і появи амінокислотних замін. Крім того, якщо в одному з екзонів і відбудеться вставлення або випадіння нуклеотида, то це спричинить зсув рамки синтезу не всієї іРНК, а тільки якоїсь її частини, тобто ефект буде не таким вже й згубним. Очевидно, складна структура гена забезпечує його більш високу стабільність і надійність функціонування.

Що таке регуляторні гени. Крім структурних генів, що кодують ту або іншу форму РНК, у геномі всіх організмів є ще й регуляторні гени, які визначають початок, швидкість і послідовність процесів синтезу РНК на матриці ДНК. Вони є місцем прикріплення ферментів та інших білків, які беруть участь у реплікації і транскрипції, регулюють активність генів. Регуляторні гени невеликі, включають лише 20—80 пар нуклеотидів кожний, а тому порівняно із структурними генами займають набагато менше місця у геномі. Проте без цих генів, які не кодують специфічні білки, а тільки регулюють процеси реплікації ДНК, взаємодію ДНК з певними білками і ферментами, проходження кон’югації хромосом, так само неможливе функціонування генетичного апарату, як без гормонів (речовин, синтезованих організмом у мінімальних кількостях) — життєдіяльність людського організму.

Розміри геномів і кількість генів у різних організмів. Пригадайте: під геномом розуміють увесь генетичний матеріал одного гаплоїдного набору хромосом. Зазвичай організми диплоїдні й відповідно мають два геноми: одержаний від матері і одержаний від батька. Хоч бувають організми з трьома геномами — триплоїдні, чотирма — тетраплоїдні й так далі.

Розмір геному, який прийнято оцінювати за кількістю ДНК, що міститься в ядрі, має чітку тенденцію до збільшення в міру ускладнення організації живих організмів (мал. 60). Так, геном бактерії кишкової палички налічує 4,6 млн, геном дрозофіли — 130 млн, а геном людини — 3,2 млрд нуклеотидних пар. У цілому ссавці мають найбільші геноми. Проте з будь-якого правила, як кажуть, є винятки. Найбільший геном

Мал. 60. Розміри геномів в організмів різних груп у пікограмах (10-12 г).

виявлений у дводишної риби протоптеруса. Він включає 130 млрд нуклеотидних пар.

Зростання розмірів геному майже завжди супроводжується збільшенням кількості генів (мал. 61). Якщо в кишкової палички структурних генів близько 1 тис., у дрозофіли їх кількість може досягати 10 тис., то в геномі людини їх 20—25 тис., а у рослин — до 50 тисяч.

Організація геному. Яким же чином розташовуються гени у геномі? Відповіді на це запитання тривалий час не було. Перші гіпотези (пригадайте ідею намистинок на нитці) були дуже далекими від істини. Дослідження, проведені у другій половині XX ст., нарешті висвітлили це питання.

Насамперед було встановлено, що ДНК у клітинах будь-яких організмів набагато більше, ніж необхідно для забезпечення структурних генів. Навіть якщо до структурних генів додати регуляторні, то однаково виявиться, що надлишкова ДНК становить більшу частину геному. Причому, якщо у кишкової палички ДНК, на яку припадають структурні гени, становить близько 15—20 % усієї ДНК геному, то в дрозофіли — 5—10 %, а в людини — 2—5 % (мал. 62). Причини надмірної кількості ДНК у геномі дотепер не мають однозначного пояснення.

Крім того, встановлено, що геном складається з послідовностей нуклеотидів, що відрізняються своєю унікальністю. Наприклад, у геномі миші хатньої 70 % нуклеотидних послідовностей унікальні, тобто наявні в єдиному екземплярі або кількох копіях. Ще 20 % — це середні за показником повторюваності послідовності, що трапляються в геномі сотні й навіть тисячі разів. Це структурні гени, які визначають синтез транспортних і рибосомальних РНК та білків-гістонів (пригадайте: це основні білки, що взаємодіють з ДНК і визначають її укладання в хромосоми).

Мал. 61. Кількість генів у організмів різних груп: а — дрозофіли; б — вільноживучого круглого черва; в — людини; г— рису; ґ— кукурудзи.

Мал. 62. Відсоток ДНК, що не має жодного відношення до структурних генів. Добре помітно: чим вищий щабель організації, тим менший відсоток ДНК припадає на структурні гени.

Третя категорія становить 10 % геному. Це високочастотні повтори нуклеотидних послідовностей з менш ніж 10 парами нуклеотидів. Частота їх повторів становить до 10 млн на геном. Цю частину ДНК прийнято називати сателітною (від лат. сателлес — супутник). Вона перебуває в ділянках ДНК біля центромери хромосоми. Очевидно, що ця частина ДНК є некодуючою.

Сучасні уявлення про структуру гена та організацію геному виглядають таким чином. Гени поділяють на структурні й регуляторні. Структурний ген — ділянка ДНК, на якій кодується якийсь із типів РНК. Білкові гени — це ділянки ДНК, де кодується іРНК, у процесі дозрівання якої в еукаріотів вирізаються певні ділянки, а решта зшивається й слугує матрицею для трансляції. Об’єм ДНК у клітині набагато більший, ніж необхідно для створення потрібної кількості структурних і регуляторних генів. Геном складається з послідовностей нуклеотидів із різним ступенем повторюваності: унікальні (структурні гени), середньоповторювані (гени рРНК і тРНК, гістони) та високоповторювані (частина, що не кодує ДНК).

Використовуючи сайт ви погоджуєтесь з правилами користування

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Ми приєднуємось до закону про авторське право в цифрову епоху DMCA прийнятим за основу взаємовідносин в площині вирішення питань авторських прав в мережі Інтернет. Тому підтримуємо загальновживаний механізм “повідомлення-видалення” для об’єктів авторського права і завжди йдемо на зустріч правовласникам.

Копіюючи матеріали во повинні узгодити можливість їх використання з авторами. Наш сайт не несе відподвідальність за копіювання матеріалів нашими користувачами.

12.2: Регуляція генів у прокаріотів

Оскільки подвійні мутанти дуже рідкісні, а потрійні мутанти ще рідше, Джейкоб і Монод зробили висновок, що активація всіх трьох генів в присутності лактози певним чином контролювалася разом. Насправді саме це відкриття визначило оперон як набір генів, транскрибуваних як єдину мРНК, експресію якої можна було б, отже, ефективно координувати. Пізніше вони характеризували білок репресора, що виробляється геном LaCi. Якоб, Монод і Андре Лвофф розділили Нобелівську премію з медицини в 1965 році за свою роботу з регуляції бактеріальних генів. Тепер ми знаємо, що негативна і позитивна регуляція лак-оперона (описана нижче) залежать від двох регуляторних білків, які разом контролюють швидкість метаболізму лактози.

1. Негативна регуляція Lac Operon лактозою

Зверніться до ілюстрації нижче, щоб визначити гравців у лак-опероні derepression.

Репресорний білковий продукт I гена завжди виготовляється і присутній в клітині кишкової палички. Експресія генів I не регулюється! При відсутності лактози в середовищі росту білок репресор щільно зв’язується з ДНК оператора. У той час як РНК-полімераза пов’язана з промотором і готова транскрибувати оперон, наявність репресора, пов’язаного з операторною послідовністю, близькою до гена Z, фізично блокує його рух вперед. За цих умов мало або зовсім не робиться розшифровка. Якщо клітини вирощуються в присутності лактози, лактоза, що надходить в клітини, перетворюється в алолактозу. Алолактоза зв’язується з репресором, що сидить на ДНК оператора, утворюючи 2-частинний комплекс, як показано нижче.

Аллостерично змінений репресор дисоціює від оператора, а РНК-полімераза може транскрибувати гени лак-оперону, як показано нижче.

2. Позитивна регуляція Lac Operon; Індукція активацією катаболіту

Другий механізм управління, що регулює експресію лак-оперону, опосередкований CAP (білок активатора катаболіту, пов’язаний з CAMP або білком рецептора цАМФ). Коли глюкоза доступна, клітинний рівень цАМФ в клітині низький, а CAP знаходиться в неактивній конформації. З іншого боку, якщо рівень глюкози низький, рівень цАМФ підвищується і зв’язується з САП, активуючи його. Якщо рівень лактози також низький, CAP, пов’язаний з CAMP, не матиме ефекту. Якщо лактоза присутня і рівень глюкози низький, то алолактоза зв’язує лак-репресор, викликаючи його дисоціацію від області оператора. За цих умов CAMP-зв’язаний CAP може зв’язуватися з оператором замість білка репресора. У цьому випадку, замість блокування РНК-полімерази, активована CAMP-зв’язана CAP індукує ще більш ефективну транскрипцію лак-оперону. Результатом є синтез більш високих рівнів лакових ферментів, які сприяють ефективному клітинному використанню лактози як альтернативи глюкозі як джерела енергії. Максимальна активація лак-оперону при високому рівні лактози і низької глюкози показана нижче.

CAP, прив’язаний до табору, є індуктором транскрипції. Він робить це, змушуючи ДНК в області промотора-оператора згинатися. І оскільки згинання подвійної спіралі розпушує Н-зв’язки, РНК-полімеразі стає легше знайти і зв’язати промотор на нитку ДНК, який потрібно транскрибувати. і для початку транскрипції. camp-cap-індукований вигин ДНК ілюструється нижче.

3. Регулювання Lac Operon шляхом виключення індукторів та множинних операторів

В останні роки були розкриті додаткові шари лак-оперонової регуляції. В одному випадку регулюється здатність лактози транспортувати лактозу через клітинну мембрану. В іншому виявлено, що додаткові операторні послідовності взаємодіють з мультимерним репресором для контролю експресії лакового гена.

а) Регулювання використання лактози шляхом виключення індуктора

Коли рівень глюкози високий (навіть у присутності лактози), фосфат витрачається на фосфориліт гліколітичних проміжних продуктів, підтримуючи низький рівень цитоплазматичних фосфатів. У цих умовах нефосфорильований EiIaGlc зв’язується з ферментом лактози пермеази в клітинній мембрані, перешкоджаючи його занесенню лактози в клітину.

Роль фосфорильованого і нефосфорильованого EIIA Glc в регулюванні лак-оперону показана нижче.

Високий рівень глюкози блокує надходження лактози в клітини, ефективно запобігаючи утворенню алолактози і депресії лак-оперона. Таким чином, виключення індуктора є логічним способом для клітин обробляти велику кількість глюкози, незалежно від того, присутня чи ні лактоза. З іншого боку, якщо рівень глюкози в середовищі росту низький, концентрації фосфатів у клітині підвищуються достатньо для того, щоб специфічна кіназа фосфорилітувала EIIaGlc. Фосфорильований EiIaGlc потім зазнає аллостеричних змін і дисоціює від пермези лактози, роблячи його активним, так що більше лактози може потрапити в клітину. Іншими словами, індуктор не «виключається» в цих умовах!

Кіназа, яка фосфорилює EIIA Glc , входить до складу фосфоенолпірувату (PEP) – залежної системи фосфотрансферази (ПТС) каскаду. Коли рівень позаклітинної глюкози низький, клітина активує систему PTS, намагаючись принести будь-яку глюкозу навколо клітини. Але останнім ферментом в каскаді фосфорилювання ПТС є кіназа, яка фосфорилює EIIA Glc . Фосфорильований EIIA Glc дисоціює від лактозної пермези, повторно активуючи її, вносячи наявну лактозу в клітину із середовища.

б) Структура білка репресора та додаткові операторні послідовності

Лак-репресор – це тетрамер однакових субодиниць (нижче).

Кожна субодиниця містить мотив спіралі-повороту спіралі, здатний зв’язуватися з ДНК. Однак послідовність ДНК оператора нижче за течією промотора в опероні складається з пари перевернутих повторів, розташованих один від одного таким чином, що вони можуть взаємодіяти лише з двома субодиницями репресора, залишаючи функцію двох інших субодиниць невідомою. тобто до недавнього часу!

Ще дві операторні регіони нещодавно характеризувалися в лак-опероні. Один, званий O ₂, знаходиться в самому гені lac z, а інший, який називається O ₃, лежить недалеко від кінця, але всередині гена lac I. Окрім свого незвичайного розташування в реальних генах, ці оператори, які взаємодіють з рештою двома субодиницями репресора, спочатку залишилися невиявленими, оскільки мутації в O2 або O3 області окремо не сприяють суттєвому впливу лактози при депресії лактози. Лише мутація обох областей одночасно призводить до суттєвого зменшення прив’язки репресора до оперону.

Б. Механізм контролю триптофану оперону

Якщо доступний достатній вміст триптофану (trp), шлях синтезу триптофану може бути пригнічений двома способами. По-перше, нагадайте, як інгібування зворотного зв’язку надлишком trp може алостерично пригнічувати шлях синтезу trp. Швидка реакція виникає, коли триптофану присутній в надлишку, що призводить до швидкого інгібування зворотного зв’язку шляхом блокування першого з п’яти ферментів у шляху синтезу trp. Оперон trp кодує поліпептиди, що входять до складу двох цих ферментів.

Фермент 1 – це мультимерний білок, виготовлений з поліпептидів, кодованих генами trp5 і trp4. Продукти генів trp1 і trp2 складають фермент 3. Якщо рівень клітинного триптофану падає, оскільки амінокислота швидко споживається (наприклад, через потреби в білках під час швидкого росту), клітини кишкової палички продовжуватимуть синтезувати амінокислоту, як показано нижче.

З іншого боку, якщо споживання триптофану сповільнюється, триптофан накопичується в цитоплазмі. Надлишок триптофану зв’яжеться з трип-репресором. Потім trp-зв’язаний репресор зв’язується з оператором trp, блокуючи РНК-полімеразу від транскрибування оперону. Пригнічення трп-оперона трп показано нижче.

При такому розкладі триптофан є співрепресором. Функція корепресора полягає в зв’язуванні з білком репресора і зміні його конформації так, щоб він міг зв’язуватися з оператором.