10. Регуляция экспрессии генов в процессе биосинтеза белка у прокариот. Строение оперона, схема Жакоба и Моно.

Экспрессия генов— это процесс, в которомнаследственная информацияот гена преобразуется в функциональный продукт —РНКилибелок. Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во времятранскрипции, и во времятрансляции, и на стадии пост-трансляционных модификаций белков.

Регуляция генов дает клеткам контроль над структурой и функцией и является основой дифференцировки клеток, морфогенеза и адаптации. Регуляция генов также является субстратом для эволюционных изменений, так как контроль за временем, местом и количественным фактором экспрессии гена может иметь эффект на функции генов в целом организме.

Механизм регуляции экспрессии генов у прокариот рассматривается на уровне оперона, а у эукариот – транскриптона.

Оперон включает в себя следующие гены:

• структурные. Они кодируют необходимые для клетки белки с ферментативными или структурными функциями, а также кодирующие рРНК и тРНК.

• ген-регулятор. Он может находиться на некотором расстоянии от структурных генов и непосредственно не входит в состав оперона. Этот ген обеспечивает синтез особого белка репрессора, функция которого – контроль за состоянием структурных генов. Регуляторные белки обладают очень сильным сродством к гену-оператору и легко связываются с ним.

Ген-оператор. Он управляет функционированием структурных генов оперона, т.е. включает или выключает их. Если этот ген свободен, то транскрипция структурных генов разрешена, если он связывается с регуляторным белком, то работа этих генов прекращается. К оператору непосредственно примыкает промотор.

Теория генетической регуляции белкового синтеза была разработана французскими генетиками Жакобо и Моно в 1961 году.

Объектом изучения служил лактозный оперон кишечной палочки. Лактозный оперон состоит из промотора, оператора и 3 структурных генов, располагающихся друг за другом.

Структурные гены детерминируют (кодируют, контролируют) синтез ферментов, которые необходимы для одного метаболического цикла расщепления лактозы до глюкозы. При этом каждый ген определяет синтез одного белка фермента.

Все гены оперона функционируют совместно, поэтому одновременно синтезируются все 3 фермента, или не синтезируется ни одного.

Может быть 2 состояния оперона:

А) оперон включен.

• Лактоза поступает в клетку и соединяется с белком-репрессором, отсоединяя его от оператора.

• Операторный участок разблокирован, поэтому РНК-полимераза через него проходит и осуществляет транскрипцию с этих структурных генов.

• Образуется иРНК, а затем белки ферменты, расщепляющие лактозу.

Б) оперон выключен.

• При отсутствии метаболита белок репрессор соединяется с оператором, блокируя транскрипцию.

• Промотор регулирует РНК-полимеразу.

• РНК-полимераза не может двигаться и не идет транскрипция.

Схема в тетради

11.Генетический аппарат эукариотической клетки. Роль ядра и цитоплазмы в наследственности. Характеристика генома и плазмона человека. Особенности наследования признаков через цитоплазму.

Генетический аппарат клеток эукариот:

Геном – генетический материал ядра в гаплоидном наборе хромосом. Функциональная единица – ген(структурные, регуляторные, гены тРНК, гены рРНК, гистоновые гены).

Геном человека — совокупность наследственногоматериала, заключенного в клеткечеловека. Человеческий геном состоит из 23 пархромосом, находящихся вядре, а такжемитохондриальной ДНК. Двадцать двеаутосомныехромосомы, двеполовые хромосомыХ и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрдпар оснований^.

В ходе выполнения проекта «Геном человека» была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используется по всему миру вбиомедицинскихисследованиях. Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20—25 тыс. активныхгенов, что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта (порядка 100 тыс.) — т.е. только 1,5 % всего генетического материала кодируетбелкиилифункциональные РНК. Остальная часть является некодирующей ДНК, которую часто называютмусорной ДНК.

Особенности:

-Большой объем наследственного материала(у человека 187 см – длина молекулы ДНК). -Одновременно может идти транскрипция от 1 до 10% генов.

-Значительная часть нуклеотидных последовательностей не транскрибируется вообще – молчащая ДНК.

-Экзонно-интронная организация генов.

-Генные повторы.

Характеризуя генетический материал клетки в целом, необходимо отметить, что ядерный геном не охватывает всего его объема, так как часть ДНК расположена в цитоплазме, в виде кольцевых фрагментов – плазмид.

Плазмиды– широко распространенные в генетических клетках внеклеточные генетические элементы, способные существовать и размножаться автономно от ядерных ДНК. Внеклеточная ДНК представлена генетическим материалом органелл – митохондрий и пластид. Наследственный материал органелл находится в их матриксе в виде нескольких копий кольцевых молекул ДНК, не связанных с гистонами.=>

Плазмон– генетический материал цитоплазмы, определяет цитоплазматическую наследственность. Функциональная единица – плазмоген. Был введен Корренсом 1908.

 Б.Л.Астауров, основываясь на резко различной чувствительности ядра и цитоплазмы к ионизирующим излучениям, показал решающую роль ядра в определении признаков многоклеточных организмов. Он облучал яйцеклетки бабочек шелкопряда рентгеновскими лучами так, чтобы инактивировать их ядра, в то время как цитоплазма при данных дозах облучения полностью сохраняла способность обеспечивать дальнейшее развитие организма. Затем эти яйцеклетки осеменяли, и ядра зиготы образовывались путем слияния ядер двух спермиев. В результате из таких яиц развивались только самцы (андрогенез), имевшие в случае межвидовых гибридов признаки исключительно отцовского вида.

Таким образом, можно заключить, что по крайней мере у ядерных организмов факторы наследственности распределены в клетке не случайно: они сосредоточены в ядре. Хотя позже и было установлено, что небольшая часть наследственного материала содержится и в цитоплазме, это не поколебало вывод о том, что ядро — основной хранитель наследственной информации.  

Цитоплазматические гены не подчиняются менделевским закономерностям наследования. Цитоплазматическое наследование признаков осуществляется по материнской линии(т.к. митохондрии сперматозоида теряются после оплодотворения). Мутации в ДНК митохондрий могут вызвать наследственные заболевания, а также являются одной из основных причин старения и болезней, связанных со старостью.