Наследственный материал клетки. Хромосомы и уровни её организации.

Строение гена. Ген- участок молекулы ДНК, состоящий из 2 частей: регуляторного и кодирующего участков. Разделены они между собой последовательностью в 300 нуклеотид, называемой точкой начала транскрипции. По отношению к этой точке разделяют +(правее- кодирующая часть) и – (левее- регуляторная часть) последовательности. Функция регуляторной части- контролирует начало и интенсивность процесса транскрипции- образовании информационной РНК(иРНК)- матрица(как бы то, на что опираются, прототип) для синтеза белка. Кодирующая часть- матрица для синтеза иРНК. Прошу пожалуйста ради собственного блага смотреть картинки, которые я вставляю, так как это поможет вам при освоении материала.

Строение гена эукариот. Строение гена эукариот мало чем отличается от прокариот, в ней имеются в основном все те же последовательности нуклеотидов за некоторыми исключениями. Так у эукариот нету оператора, а промотор состоит из 3 частей:

1) ТАТА- бокс(Голдберга- Хогнесса бокс, -20 последовательность)- с ней связывается РНК-полимераза;

2) ЦААТ- бокс(-60 последовательность)

3) ГЦ-бокс(- 80 последовательность)

ЦААТ и ГЦ- боксы регулируют скорость транскрипции.

Кодирующая часть эукариот состоит еще из интронов - некодируемых последовательностей, но не спешите с выводами, так как они выполняют 2 важные функции:

1) Они снижают частоту мутации;

2) Обуславливают процесс альтернативного сплайсинга (об этом позже, не зациклывайтесь )

В человеческом организме 30000 генов, но они занимают всего 2 % хромосом, так что гены разделены между собой обширными нетранскибируемыми нуклеотидными последовательносями- спейсарами.

Теперь, когда вы знаете строение гена я бы хотел вернуться к опыту Серебровского и Дубинина (прочитайте ещё раз, если забыли). Чрезмерный рост щетинок был обусловлен мутацией в энхансере , медленный рост- мутацией в сайленсере, отсутствие – в промоторе, а когда изменений не происходило в интроне, так как эта часть не кодируется(не участвует в определений структуры кодируемого с гена белка). Если вы поняли предпоследнее предложение, значит хорошо усвоили эту тему.

Репликация (удвоение молекулы ДНК). Значение теломер (концевые участки хромосом)

Репликация- это сложный процесс самоудвоения молекулы ДНК. В неделящейся клетке наследственный материал можно выразить 2n2c(n-количество хромосом, а с- количество ДНК). В интерфазе происходит процесс репликации, следовательно наследственный материал становится 2n4c. Данный процесс протекает по определенным нерушимым правилам, или как принято говорить принципам репликации:

1) Комплементарность- это когда аденину одной цепи противопоставлен тимин другой (между ними 2 водородные связи), гуанину- цитозин(между ними 3 водородные связи);

2) Полуконсервативность- когда в результате деления одна цепь старая(материнская цепь), а вторая- новая (дочерняя цепь) ;

3) Прерывистость- ДНК настолько обширна, что если бы репликация начиналась на одном месте и заканчивалась в другом, то это бы заняло очень большое количество времени, вследствие чего начинается в нескольких местах.

Для вашего понимания 4 и 5 принципов прежде я должен вам напомнить строение нуклеотида- «кирпичики», из которых состоит ДНК.

Нуклеотид состоит из азотистого основания (А,Т,Ц,Г), пятиуглеродного сахара- дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Когда изображают ДНК в схематическом виде вы увидите 5̕ и 3̕. Что они значат? Немного химии: на 3̕ имелась группа ОН, но она соединилась с другой такой же группой ОН, но не дезоксирибозы , а фосфорной кислоты, далее выделяется Н20 и образуется прочная ковалентная связь, это значит что удлинение молекулы ДНК происходит с 5̕ → 3̕ конец.

5¹---АТТГАТАЦАГГЦ---3¹

3¹ ---ТААЦТАТГТЦЦГ---5̕

(Схематическое изображение ДНК)

4) Итак, следующий принцип- антипараллельность- это если, одна цепь с 5̕ -3̕, то вторая будет с 3̕ - 5̕ (смотри выше)

5) Униполярность- синтез дочерних цепей осуществляется всегда с 5̕ -3̕ .

Процесс репликации идет в 3 стадии:

1) Инициаиция

2) Элонгация

3) Терминация

Теперь перейдем к самому процессу. Так как репликация идет прерывисто образующиеся в результате структуры называются репликонами, а зоны репликации- репликационными вилками. Предшествует образованию репликативной вилки образование прежде репликационного глазка в области точек начала репликации. При этом от точки начала репликации могут образоваться либо 1 репликационная вилка(у эукариот) или 2 у прокариот. Образование репликативного глазка и есть 1 этап- инициация репликации.

Элонгация- основной этап процесса репликации. Она осуществляется благодаря целому каскаду ферментов, без которых этот процесс невозможно было бы представить. При репликации одна дочерняя цепь синтезируется непрерывно, потому что её направление совпадает с направление хеликазы, а 2 дочерняя- кусками- фрагментами Оказаки. Синтезирующаяся непрерывно цепь называется лидирующей(2 на рисунке), а фрагментами- отстающей(1 на рисунке).

1) Хеликаза- функцией этого фермента является расплетение двух нитей ДНК, на рисунке она обозачена под цифрой 9.

2) Топоизомераза- когда хеликаза разрывает две нити, то в них накапливается напряжение и они начинают быстрее вращаться- явление суперспирализации. Топоизомераза специально предназначена ради того, чтобы её снять. На рисунке под цифрой 11.

3) ДНК-полимераза- синтезирует дочернюю цепь(на рисунке под цифрами 3 и 8)

4) ДНК- лигаза – сшивает фрагменты Оказаки.

5) РНК- праймаза- синтезирует РНК- затравки(РНК- праймеры), которые выступают в роли маяка для ДНК-полимераз, указывая им откуда начать, и только после присоединения к затравке ДНК- полимераза может начать синтез дочерней цепи. При этом для лидирующей цепи нужно всего один праймер, а дочерней- множество.(6 на рисунке)

6) SSB- белки- нужны для того, чтобы удерживать разъединившиеся цепи вдали друг от друга, чтобы те не соединились вновь.(10 на рисунке)

По некоторым данным в процессе репликации принимают участие около 20 белков, но здесь перечислены основные.

Терминация репликации. В ДНК имеются специфические последовательности, с которыми связываются терминаторные белки, препятствующие дальнейшему продвижению репликативной вилки. Синтез ДНК заканчивается.

Значение теломер для репликации. Как оказалось ДНК-полимераза начинает синтез только со специального РНК-праймера. После окончания синтеза ДНК РНК-праймеры удаляются, а пропуски в одной из дочерних цепей ДНК заполняются ДНК-полимеразой. Однако на 3'-конце ДНК такой пропуск заполнен быть не может, и поэтому 3'-концевые участки ДНК остаются однотяжевыми, а их 5'-концевые участки – недореплицированными, вследствие чего одна из 2 дочерних цепей становится короче на 60-80 нуклеотидов.

Так происходит практически у всех клеток живого организма, за исключением опухолевых, половых и стволовых клеток(в костном мозгу- синтезируют клетки крови) за счет наличия специального фермента, называемого теломеразой. Его работа состоит из 2 этапов: элонгации и транслокации. Элонгация – удлинение теломерного участка, а транслокация- его перемещения для следующей элонгации.

Благодаря их наличию эти клетки никогда не стареют. Существует даже теломерная теория старения, которая утверждает , что жизнь клетки прямо пропорционально длине теломер. Теломеры- это плотно упакованный нетранскибируемый гетерохроматин(красный ), который защищает ценный эухроматин(фиолетовый).

Так что существует определенное число делений после которого теломера исчезает и клетка погибает. Это число называется лимитом Хейфлика.

Транскрипция(синтез и созревание иРНК)

Транскрипция- сложный процесс синтеза иРНК на матрице одной из 2 цепей ДНК. Транскрипция наряду с трансляцией являются механизмами экспрессии( проявляемость, свидетельство активности) генов и в результате этой экспрессии синтезируется белок- продукт активности гена. Но о трансляции позже, уверен, если вы дочитали до сюда, то начальное представление вы о ней уже имеете. Вернемся к транскрипции, как и у репликации есть нерушимые правила(принципы) транскрипции:

1) Комплементаность- у иРНК тоже есть те же азотистые основания, как и у ДНК, за исключением тимина, поэтому аденину- урацил, цитозину- гуанин.

2) Консервативность- иРНК одноцепочечная и эта цепь, так как одна не содержит старой цепи как при репликации, поэтому он называется принципом консервативности, а не полуконсервативности

3) Антипараллельность- это если, одна цепь с 5̕ -3̕, то вторая будет с 3̕ - 5̕ .

4) Униполярность- синтез иРНК всегда происходит в направлении 5̕ -3̕ .

Не запутайтесь матрицей для синтеза иРНК на рисунке послужила 1 цепь(3 и 4 принципы).

Процесс транскрипции осуществляется в 3 этапа:

1) Инициация

2) Элонгация

3) Терминация

Основным ферментом синтеза иРНК является фермент РНК- полимераза, которая состоит из 2 альфа и 2 бета субъединиц. Также в ней особое место занимает сигма субъединица, которая активирует этот комплекс и как видите на рисунке кор-фермент(пассивный) становится холо-ферментом(активный)

Для начала процесса инициации необходимо, чтобы образовался холо-фермент на промоторе. При этом вначале присоединяется кор- фермент к ТАТА- боксу(- 10 последовательность) и лишь после сигма субъединица к узнаваемой последовательности(-35 последовательность) после чего между двумя цепями начинают разрываться водородные связи и ДНК начинает раскручиваться как на рисунке. У эукариот процесс инициации протекает несколько сложнее, так как для образования этого комплекса им нужен целый ряд ферментов- называемых для удобства факторами транскрипции. И если у прокариот имеется всего 1 разновидность РНК-полимеразы, синтезирующая все 3 типа РНК(тРНК, иРНК, рРНК), то у эукариот их 3. Потом пройдете, что за что отвечает. И если вспромнить строение гена, то на процесс транскрипции как и у прокариот, так и у эукариот могут влиять на процессивность: энхансеры(усиливают процесс), сайленсеры(тормозят процесс).