Глава IV Современное представление о структуре и функции генов
СТРУКТУРА ГЕНА
Проблема гена - центральная проблема генетики. Представления о гене всегда отражали и отражают уровень развития этой науки, ее достижения проблемы. Понятие гена как дискретной единицы, выявленной разработанным Г. Менделем методом гибридологического анализа, ввел В Иоганнсен в 1909 г. Он не связывал это понятие с какими-либо гипотезами с его сущности и материальной природе.
В последующий период произошла не только «материализация», но и сам! гены — участки молекул ДНК — стали объектами и «рабочим! инструментами» генной инженерии и биотехнологии. Расшифрована первичная структура многих тысяч генов, выяснены основные черты особенности их строения у разнообразных объектов. Эти| сведения хранятся компьютерных банках информации, пополняемых и используемых ученым всего мира.
В настоящее время ген определяют как участок молекулы ДНК (у некоторые
вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомой РНК либо взаимодействующий с регуляторным белком.
В представлении Г. Менделя единицей наследственности был фактор, контролирующий проявление в доминантном или рецессивном состоянии одного признака. В дальнейшем понятия о гене были развиты в работах Т. Моргана, который показал, что ген —это локус (участок) хромосомы, занимающий в ней строго определенное положение.
В современном понимании ген—это функциональная единица молекулы ДНК, Контролирующая последовательность аминокислот в кодируемой полипептидной цепи. Специфичность гена определяется числом нуклеотидов и их уникальной последовательностью. Ген имеет определенную величину, выраженную числом нуклеотидов и молекулярной массой. Ген, кодирующий синтез полипептидной цени, называется структурным. Он является составной частью оперона, имеет сложную систему регуляции, осуществляемой акцепторными генами. Для каждого Структурного гена характерна уникальная последовательность нуклеотидов, позволяющая его идентифицировать.
Структурный ген является дискретной целостной единицей, кодирующей синтез одной полипептидной цепи. Любое изменение порядка чередования нуклеотидов—выпадение, добавление или замена хотя бы
одного нуклеотида -инактивирует структурный ген или изменяет его
функцию.
Ранее отмечено, что для структурных генов эукариот характерно мозаичное строение участки молекулы ДНК, кодирующие аминокислоты
полипептидной цепи, — ЭКЗОНЫ (кДНК) чередуются с участками, которые не обладают этой способностью, — нитронами.
Акцепторные гены каждого оперона обладают высокой специфичностью к ним могут присоединяться только определенные молекулы белка, в том числе белок-репрессор, подавляющий активность структурных генов, Cap-белок, а также ферментативные белки, обеспечивающие репликацию и транскрипцию. Доля структурных и акцепторных генов в общей ДНК в генома разных организмов колеблется от 98 до 15%, Остальная часть ДНК генома получила название избыточной ДНК. Особенно много избыточной ДНК содержится геномах растений, для избыточной ДНК характерно наличие повторов—одинаковых последовательностей нуклеотидов. Р. Бриттен и д. Кон в 1968 г. установили, что у мыши 7о% ДНК составляют уникальные последовательности нуклеотидов, а 30% — повторы; у человека —66% уникальные последовательности, а 34% — повторы,
Повторы ДНК у эукариот могут иметь различную природу. Некоторые структурные гены, имеющие уникальную последовательность нуклеотидов, могут быть представлены несколькими копиями. Гены; Кодирующие гистоны — основные белки, входящие в состав хромосом, в молекуле ДНК представлены различным числом копий, например, в гаплоидном геноме мыши содержится 30 структурных генов, кодирующих гистом Н4. У животных имеются повторы структурных генов, кодирующих глобин, иммуноглобулин, интерферон и другие жизненно важные молекулы белка. Среди повторов генов имеются нефункционирующие гены, которые из-за выпадения или добавления нуклеотида потеряли способность синтезировать мРНК. Их называют псевдогенами.
Особенно многократно в молекуле ДНК встречаются повторы структурных генов, контролирующих синтез рибосомалиной и транспортной РНК, Так, в гаплоидном геноме лягушки имеется около 8000 генов тРНК, в геноме курицы—около 100 генов рРНК, в геноме дрозофилы их около 130.
В ДНК геномов содержатся и другого рода повторы. Они представляют собой короткие последовательности нуклеотидов, каждой из них содержит около 300 нуклеотидных пар, а также 40000—80000 повторов В1, содержащих приблизительно по 140 нуклеотидных нар |
В составе избыточной ДНК у эукариот в довольно большом количестве содержатся последовательности нуклеотидов, генетическая роль которых пока еще остается невыясненной. Они получили названий сателлитной ДНК, которая представляет собой последовательности, состояние из нескольких нуклеотидных пар. У мыши они состоят из 6 пар нуклеотидов, в том числе 5 пар AT и пары ЦТ; у морской свинки сателлитная ДНК состоит из 6 пар нуклеотидов, в том числе 3 пар ЦГ и 3 пар ТА, АГ и AT. Блоки (кластеры) сателлитной ДНК преимущественно сосредоточены в гетерохроматиновых районах хромосом, расположенных около центромеры.
Транспозоны. В течение длительного времени считалось, что положение генов в хромосоме и, следовательно, в молекуле ДНК является строго фиксированным, хотя Б. Мак-Клинток еще в 1953 гг. доказала, что в геноме кукурузы содержатся так называемые подвижные! генетические элементы. В 1975 —1977 советский ученый Г. П. Георгиев обнаружил в геноме дрозофилы гены, представленные десятками копий и рассеянные по разным хромосомам. Им было установлено, что эти гены являются подвижными или «прыгающими, так как могут быть локализованы у разных линий и даже у отдельных особей в разных хромосомах и в разных локусах одной хромосомы.
Перемещение фрагмента ДНК, содержащего ген или гены, из одной хромосомы в другую, им несвойственную, называется транспозицией. Фрагменты ДНК, способные перемешаться из одной хромосомы в другую или из одного локуса в другой, называют транспозонами. Транспозиция включает два процесса: эксцизию и инсерцию. Эксцизией называется освобождение Транспозона из молекулы ДНК, в которую он был встроен, а инсерцией процесс встраивания транспозона в новый локус ДНК.
Транспозоны условно можно разделить на несколько классов. Один из них, наиболее изученный и широко представленный, Г. IJL Георгиев обнаружил у дрозофилы и назвал их «мобильные диспергированные гены (МДГ). У дрозофилы имеется ОКОЛО 20 семейств таких МДГ, каждое из которых содержит от 10 до 150 копий, локализация которых в геноме сильно варьирует. Характерной особенностью МДГ являются одинаково ориентированные, длинные концевые повторы (ДИП). ДНИ МДГ содержит 5-ю тыс нуклеотидных пар, в том числе 250—1500 нуклеотидных пар — это ДИП. Образование большого числа копий МДГ происходит следующим образом: на матрице ДНК в локусе МДГ-элемента синтезируется РНК, на которой при участии фермента обратной транскриптазы образуется много копий фрагментов ДНИ, соответствующих МДГ, которые внедряются в новые локусы ДНИ генома. В ДКП МДГ-элементов имеются сигнальные последовательности для начала и окончания транскрипции, а также усилители (энхансеры), резко увеличивающие интенсивность транскрипции. Они содержат также оперон, кодирующий обратную транскриптазу.
Другой класс активных транспозонов (МДГ) включает последовательности ДНИ, кодирующие фермент транспфазу, который отвечает за транспозицию МДГ — вырезание и встраивание транспозонов. К ним относят хорошо изученные Р-элемент дрозофилы и Ас-элемент кукурузы.
К особому классу можно отнести пассивные транспозоны — фрагменты ДНК, которые ничего не кодируют, но многочисленные копии которых могут служить субстратом для транспозазы. К их числу могут быть отнесены и длинные обращеан:1е повторы; и даже некоторые МДГ элементы,
К транспозонам относят также и другие участки генома, если они активно синтезируют РНК, а затем при участии фермента ревертазы образуют многочисленные копии ДНК, которые вставляются в различные участки генома, К их числу относятся два класса коротких транспозонов мыши, названные В и В2; В1 содержит 130, В2—190 пар нуклеотидов. Они
рассеяны по всему геному, и почти в каждом фрагменте ДНК содержиться В1 или В2, или оба. Находясь в ДНК генома, они активно транскрибируют РНК,а затем при участии обратной транскриптазы образуют огромное число копий (в клетке может содержаться до 100 000 копий каждого транспозона).
В геноме человека также обнаружены В! и 132, а также транспозонами, содержащий 300 пар нуклеотидов и представленный 300000 копиями.
Транспозиция играет значительную роль в реализации наследственной информации и может быть причиной наследственного изменения признака (мутации). Многие транспозоны служат матрицами для транскрипции мРНК, кодирующей различные ферменты, в том числе обратную транскриптазу. Внедряясь в новые локусы генетического аппарата клетки, транспозоны влияют на работу окружающих генов. Иногда внедрившийся транспозон изменяет структуру гена вплоть до создания нового, несвойственного данному локусу. Транспозоны могут вызвать глубокие перестройки генома, в том числе делении; инверсии, транслокации, для разных генетических локусов от 10 до 90% всех спонтанных мутаций являются результатом транспозиции МГД.
В обычных условиях транспозиция происходит весьма редко, но под действием некоторых факторов наблюдаются так называемые транспозиционные взрывы, когда в клетке сразу перемещается большое число транспозонов, относящихся к разным классам.
В последние годы установлено, что транспозиция и образование большого числа повторов МДГ сходны с ретровирусами птиц и млекопитающих. Ретровирусами называют вирусы, у которых генетическая информация записана на РНК (РНК-содержащие вирусы). Когда такой РНК-содержащий вирус проникает в клетку, при участии фермента обратной транскриптазы синтезируются ДНК-копии РНК вируса. ДНК внедряется в \ различные локусы генома клетки и становится составной частью \молекулы ДНК. Такую ДНК называют провирусом. В геноме мыши может содержаться несколько семейств провирусов, локализованных в разных локусах ДНК. На этих ДНК может синтезироваться РНК и даже могут образовываться вирусоподобные частицы, но инфекционный вирус не возникает. Вирусы, информация о которых содержится в ДНК высших организмов, получили название эндогенных вирусов (ЭВ), а кодирующие их генетические элементы - эндогенных провирусов (ЭП). Так, у кур выявлено 29 локусов ЭП, которые встречаются в различных сочетаниях и с разной частотой. Ни один из локусов ЭП не является обязательным элементом генома кур.
Подавляющее большинство ЭП дефектны и не могут кодировать вирионы, поэтому, он и не являются инфекционными для (родительских клеток. Вместе с тем некоторые ЭП следует рассматривать как генетические факторы риска, повышающие вероятность начала канцерогенного процесса или появления нового онкогенного вируса,
Вывод
Функции белков чрезвычайно многообразны. Каждой данный белок как вещество с определенным химическим строением выполняет одну узкоспециализированную функцию и лишь в нескольких — несколько взаимосвязанных. Например, гормон мозгового слоя надпочечников адреналин, поступая в кровь, повышает потребление кислорода и артериальное давление, содержание сахара вкрови; стимулирует
обмен веществ, а также является медиатором нервной системы у холоднокровных животных.
В данной работе при помощи различных схем и таблиц были рассмотрены химические и физические свойства бел|ков5 классификация белков, состав и строение белков, были рассмотрены разнообразные функции белков, а также их значение.
Доказано, что белки - обязательная составная часть всех живых клеток, играют исключительно важную роль в живой природе, являются главным.
наиболее ценным и незаменимым компонентом питания огромной ролью, которую они играют в процессах
Это связанно с той развития и жизни
человека. Белки являются основой структурных элементов и тканей, поддерживают обмен веществ и энергии, участвуют в процессах роста и размножения, обеспечивают механизмы движений развитие иммунных реакций, необходимы для функционирования всех органов и систем организма
Список литературы
1. Алберте Б., Брей Д., и др. «Молккулярная биология клетки» Москва, 1994,
2. Жученко А. А. и др. «Генетика» М.:КолосС 2004
3. Меркурьева Е.К. и др. «Генетика» М.: Агропромиздат, 1991.