У прокариот сравнительно все просто: участок, кодирующий определенный белок состоит из триплетных кодонов, которые транскрибируются на мРНК и затем транслируются на рибосоме в данный белок. То же происходит и в эукариотических клетках.
Молекулярная структура генов у эукариот оказалась значительно сложнее, чем у прокариот. Как правило, протяженность эукариотических генов значительно больше, чем прокариотических. При этом было установлено, что каждый ген состоит из участков ДНК, кодирующих синтез определенных клеточных продуктов (белки, РНК и пр.), и участков ДНК, которые не несут генетической информации, а как бы разделяют кодирующие участки. Первые участки получили название экзонов, вторые интронов. протяженности экзоны короче интронов.
У прокариотов отсутствуют интроны.
ДНК прокариот – кольцевая, у эукариот двухцепочечная. Эукариоты также содержат кроме ядерных генов – митохондриальную, пластидную.
30. Сплайсинг. Процессинг РНК у прокариот и эукариот.
При образовании мРНК транскрибируются все участки экзонов и интронов и образуется молекула про-м-РНк. Затем внутриядерная органелла сплайсиома определяет границы между интронами и экзонами, вырезает участки транскрибированные с интронов (участки, не несущие генетическую информацию), и соединяет участки транскрибированные с экзонов (несущие информацию).
Процессинг РНК у эукариот. Процессинг РНК (посттранскрипционные модификации РНК) — совокупность процессов в клетках эукариот, которые приводят к превращению первичного транскрипта (РНК после транскрипции) в зрелую РНК.
1. Кэпирование представляет собой присоединение к 5'-концу транскрипта 7-метилгуанозина, а также метилирование остатков рибозы двух первых нуклеотидов. Кэпирование защищает 5'-конец первичного транскрипта от действия рибонуклеаз, специфически разрезающих фосфодиэфирные связи в направлении 5’→3'.
2. Полиаденилирование
Фермент поли(А)-полимераза присоединяет 3'-концу транскрипта от 100 до 200 остатков адениловой кислоты.
3. После полиаденилирования мРНК подвергается сплайсингу. Многие пре-мРНК могут быть подвергнуты сплайсингу разными путями, при этом образуются разные зрелые мРНК, кодирующие разные последовательности аминокислот (альтернативный сплайсинг).
4. Редактирование РНК — процесс, в ходе которого информация, содержащаяся в молекуле РНК, изменяется путем химической модификации оснований.
5. мРНК эукариот подвергаются посттранскрипционному метилированию (метили́рование — введение в органические соединения метильной группы -СН3 вместо атома водорода, металла или галогена. Метилирование в приводит к удлинению углеродной цепи в молекуле на 1 атом.).
Молекула мРНК у прокариот не подвергается процессингу.
31. Генетический код. Свойства генетического кода.
Генетический код – единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв А, Т, Ц, Г, соответствующих нуклеотидам ДНК. Поскольку в белках встречается 20 различных аминокислот, то каждая не может кодироваться одним или двумя нуклеотидами (будет закодировано только 42=16 аминокислот). Наименьшая возможная длина «слова», определяющая аминокислоту, состоит из трех нуклеотидов (число возможных триплетов равно 43=64). Из 64 кодонов три – УАА, УАГ, УГА – не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами. Позднее было показано, что они являются терминирующими кодонами (ТК) (табл.2).
Свойства генетического кода:
• Генетический код триплетен.
Триплет (кодон) – последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.
• Вырожденность генетического кода обусловлена тем, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (аминокислот 20, а триплетов –64), исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Три триплета ТК– это стоп-сигналы, прекращающие синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК.
• Однозначность – каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота. Следует отчетливо понимать принципиальное отличие двух важнейших свойств – вырожденности и однозначности, одновременно присущих генетическому коду.
• Код не перекрывается, т.е. в последовательности оснований АБВГДЕЖЗИК первые три основания, АБВ, кодируют аминокислоту 1, ГДЕ – аминокислоту 2 и так далее. Если бы код был перекрывающимся, то кислоту 2 могла бы кодировать последовательность ВГД. В коде отсутствуют запятые, т.е. нет знаков, отделяющих один кодон от другого.
• Генетический код универсален, т.е. вся информация в ядерных генах для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (например, бабочка, ромашка, рак, лягушка, удав, орел, человек), кодируется одинаково.
Таблица генетического кода
32. Типы РНК. Функции различных типов РНК.
молекулами, ответственными за считывание и перенос информации, а также за преобразование этой информации в последовательность аминокислот в структуре белковой молекулы, являются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Молекулы рибонуклеиновой кислоты имеют одну полинуклео-тидную цепь, Нуклеотиды молекулы РНК называются адениловой гуаниловой, уридиловой и цитидиловой кислотами Существует три основных вида РНК: информационная (иРНК), или матричная (мРНК), рибосомная (рРНК) и транспортная (тРНК). Они различаются по величине молекул и функциям. Все типы РНК синтезируются на ДНК при участии ферментов — РНК-полимераз. Информационная, или матричная, РНК составляет 2—3 % всей клеточной РНК, рибосомная — 80—85, транспортная — около 15 %.
Информационная РНК (иРНК) она считывает наследственную информацию с участка ДНК (гена) и в форме скопированной последовательности азотистых оснований переносит ее в рибосомы, где происходит синтез определенного белка. Каждая из молекул иРНК по порядку расположения нуклеотидов и по размеру соответствует гену в ДНК, с которого она была транскрибирована. В среднем иРНК содержит 1500 нуклеотидов (75— 3000). Каждый триплет (три нуклеотида) на иРНК называется кодоном. От кодона зависит, какая аминокислота встанет в данном месте при синтезе белка/ Информационная РНК может обладать относительной молекулярной массой от 250 до 1000 тыс.Д (цальтон).
Существует большое разнообразие иРНК как в отношении состава, так и величины молекулы. Это связано с тем, что в клетке находится большое количество разнообразных белков, а строение каждого белка обусловлено своим геном, с которого иРНК считала информацию..
Транспортная РНК. (тРНК) обладает относительно невысокой молекулярной массой порядка 24—29 тыс. Д и содержит в молекуле от 75 до 90 нуклеотидов. До 10 % всех нуклеотидов тРНК приходится на долю минорных оснований, что, по-видимому, защищает ее от действия гидролитических ферментов.
Роль тРНК заключается в том, что они переносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в процессе синтеза белка. Каждая аминокислота присоединяется к определенной тРНК. Ряд аминокислот обладает более одной тРНК. К настоящему времени обнаружено более 60 тРНК, которые отличаются между собой первичной структурой (последовательностью оснований). Вторичная структура у всех тРНК представлена в виде клеверного листа с двухцепочным стеблем и тремя одноцепочными петлями (рис. 20). На конце одной из цепей находится акцепторный участок — триплет ЦЦА, к аденину которого присоединяется специфическая аминокислота. Аминокислота присоединяется к тРНК под действием фермента аминоацил-тРНК-синтетазы, который «узнает» одновременно и аминокислоту, и тРНК. В головке средней петли тРНК находится антикодон — триплет, состоящий из трех нуклеотидов. Антикодон комплементарен определенному кодону мРНК. При помощи антикодона тРНК «узнает» соответствующий кодон в иРНК, т. е. определяет место, куда должна быть поставлена данная аминокислота в синтезируемой молекуле белка.
Предполагается, что петли тРНК, не вовлеченные в связывание и выполнение декодирующей функции аминокислоты, используются для связывания тРНК с рибосомой и со специфической аминоацил-тРНК-синтетазой.
Рибосомная РНК (рРНК). Размер рибосомных РНК эукариот составляет 5-28S (S - единица Сведберга характеризующая скорость осаждения, седиментации частиц при ультрацентрифугировании), молекулярная масса 3,5-104— 1,5-Ю6 Д. Они содержат 120—3100 нуклеотидов. Рибосомная РНК накапливается в ядре, в ядрышках. В ядрышки из цитоплазмы транспортируются рибосомные белки, и там происходит спонтанное образование субчастиц рибосом путем объединения белков с соответствующими рРНК. Субчастицы рибосомы вместе или врозь транспортируются через поры ядерной мембраны в цитоплазму.
Рибосомы представляют собой органеллы величиной 20— 30 нм. Они построены из двух субчастиц разного размера и формы. На определенных стадиях белкового синтеза в клетке происходит разделение рибосом на субчастицы. Рибосомная РНК служит как бы каркасом рибосом и способствует первоначальному связыванию иРНК с рибосомой в процессе биосинтеза белка. Субчастицы обозначают у эукариот как 60 и 40S. Целые рибосомы осаждаются при 80S. 408-субчастица содержит 18S РНК и примерно 30 белков; бОв-субчастица содержит 28S РНК, 5S РНК и 5,8S РНК. В состав этой частицы входит примерно 50 различных белков. У прокариот функциональная рибосома имеет константу седиментации 70S. 70Б-рибосомы состоят из малой (30S) и большой (50S) субчастиц. SOS-рибосомы содержат примерно равное количество рРНК и белка, у 70S-PH6QCOM соотношение РНК и белка составляет 2:1. Число рибосом в клетке прокариот равно примерно 104, у эукариот — около 105. В период синтеза белка рибосомы могут объединяться в полисомы, образуя более высокоорганизованные комплексы.
33. Трансляция. Схема трансляции. Этапы трансляции.
Трансляция – процесс перевода генетической информации с последовательности нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот в молекуле полипептида. Трансляция осуществляется согласно правилам генетического кода, который имеет следующие особенности:
1. Код – триплетный, т. е. одну аминокислоту определяет три нуклеотида.
2. Код – однозначный (специфичный): каждый кодон обозначает только одну аминокислоту.
3. Код – непрерывный, т. е. отсутствуют сигналы, показывающие конец одного кодона и начало следующего.
4. Код – вырожденный, т. е. одной аминокислоте может соответствовать более одного кодона. Только две аминокислоты – метионин и триптофан – имеют по одному кодону. Лейцину и серину соответствует 6 кодонов, глицину и аланину – по 4 и т. д. Если аминокислота кодируется несколькими кодонами, то в большинстве случаев они различаются по третьей букве, т. е. по нуклеотиду на 3′-конце. Таким образом, специфичность каждого кодона определяется главным образом его первыми двумя нуклеотидами.
5. Код не перекрывается, т. е. один нуклеотид не может одновременно входить в два соседних триплета.
6. Генетический код содержит триплеты, обозначающие начало и окончание синтеза белка. АУГ – инициирующий кодон (кодирует метионин). УАА, УАГ, УГА – терминирующие кодоны, которые не кодируют ни одну из известных аминокислот и сигнализируют об окончании синтеза белка.
7. Генетический код универсален, т. е. одинаков у животных, растений, многих бактерий.
делят на три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация трансляции.
Стадия инициации, являющаяся "точкой отсчета" начала синтеза белка, требует соблюдения ряда условий, в частности наличия в системе помимо 70S или 80S рибосом, инициаторной аминоацил-тРНК, иницирующих кодонов в составе мРНК и белковых факторов инициации. Экспериментально доказано, что у бактерий, в частности у E. Coli, инициаторной является аа-тРНК, в образовании которой специфическое участие принимают соответстсвующая тРНК и N10-формил-тетрагидрофолиеая кислота. Таким образом, N-формилметионил-тРНК является первой аа-тРНК, которая определяет включение N-концевого остатка аминокислоты и тем самым начало трансляции.
Процесс формилирования имеет важный химический и биологический смысл, предотвращая участие NH2-группы аминокислоты в образовании пептидной связи и обеспечивая тем самым синтез белка в направлении NH2 (COOH. Образовавшаяся формилметионил-тРНК, по-видимому, первой связывается в определенном участке с 30S субчастицей рибосомы и с мРНК. Помимо тРНКфМет, у E. Coli имеется обычная тРНК, акцептирующая свободный, а не формилированный метионин. Она обозначается тРНКМет и обеспечивает перенос метионина в процессе сборки (элонгации) полипептдной цепи. Необходимым условием инициализации является также наличие инициирующих кодонов, кодирующих формилметионин. У бактерий эту функцию выполняют триплеты АУГ и ГУГ мРНК. Однако эти триплеты кодируют формилметионин (или начальный метионин) только будучи начальными триплетами при считывании матричной мРНК. Если же эти триплеты являются обычными, т. е. внутренними, то каждый из них кодирует свою аминокислоту, в частности, АУГ-метионин и ГУГ-валин. Ясно, что инициаторный 5'-АУГ-кодону предшествует полипуриновая последовательность, которая узнается полипиримидиновой последовательностью.
Элонгация По завершении инициации рибосома располагается на мРНК таким образом, что в Р-центре находится инициирующий кодон AUG с присоединённой к нему Мет-тРНКiмет., а в А-центре -- триплет, кодирующий включение первой аминокислоты синтезируемого белка. Далее начинается самый продолжительный этап белкового синтеза -- элонгация, в ходе которого рибосома с помощью аа-тРНК последовательно «читает» мРНК в виде триплетов нуклеотидов, следующих за инициирующим кодоном в направлении от 5' к З'-концу, наращивая полипептидную цепочку за счёт последовательного присоединения аминокислот.
Терминация трансляции наступает в том случае, когда в А-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов: UAG, UAA или UGA. Для стоп-кодонов нет соответствующих тРНК. Вместо этого к рибосоме присоединяются 2 белковых высвобождающих фактора RF (от англ, releasing/actor) или фактора терминации. Один из них с помощью пептидилтрансферазного центра катализирует гидролитическое отщепление синтезированного пептида от тРНК. Другой за счёт энергии гидролиза ГТФ вызывает диссоциацию рибосомы на субъединицы.
Интересно отметить, что факторы трансляции, реализующие эффекты за счёт гидролиза ГТФ, являются членами суперсемейства G-белков, в которое входят G-белки, участвующие в трансдукции сигналов гормонов и других биологически активных веществ, и Ras-белки, функционирующие как факторы роста. Все G-белки связывают и гидролизуют ГТФ. Когда они связаны с ГТФ, то активны и участвуют в соответствующих метаболических процессах, а когда в активном центре в результате гидролиза ГТФ превращается в ГДФ, эти белки приобретают неактивную конформацию. 
34. Генная инженерия растений с помощью Agrobacterium. Прямые методы генетической трансформации растений.
Одним из импульсов к развитию методов переноса чужеродных генов в растения стали результаты детального изучения молекулярно-генетичес-ких основ опухолевого роста у растений при участии бактерий рода Agrobacterium. В результате этих исследований оказалось, что опухолеобразующие плазмиды агробактерий (Ti -- tumor inducing, индуцирующая опухоль), представляющие собой мини-кольцевые ДНК, являются природной векторной системой, которую сейчас используют для переноса генов в растения. Плаз-мида агробактерии переносит часть своей ДНК в ДНК растительной клетки, в ДНК встраивается "нужный" ген. С помощью этого уникального вектора уже получено большое число трансгенных растений. Важно также то, что методы генной инженерии сейчас используют не только в практике, это важнейшая методология для познания фундаментальных основ организации и функционирования растительного генома.
Генетическая инженерия -- это система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных (гибридных) молекул ДНК. Суть генетической инженерии сводится к переносу в растения чужеродных генов, которые могут сообщать растениям полезные свойства [1, 4, 6]. Такие манипуляции осуществляются с помощью соответствующих ферментов -- рестрикционных эндонуклеаз, расщепляющих молекулы ДНК в строго определенных участках, и лигаз, сшивающих фрагменты в единую рекомби-нантную молекулу ДНК.
Итак, процедуры генетической инженерии сводятся к тому, что из набора фрагментов ДНК, содержащих нужный ген, собирают гибридную структуру, которуюзатем вводят в клетку. Введенная генетическая информация экспрессируется, что приводит к синтезу нового продукта. Таким образом, вводя в клетку новую генетическую информацию в виде гибридных молекул ДНК, можно получить измененный организм.
35. Полиплоидия и полиплоидные ряды. Закономерности распространения полиплоидов в природе.
Под полиплоидиейпонимают кратное увеличение основного числа хромосом в ядре.
Увеличение основного числа хромосом в несколько раз ведет к появлению полиплоидного ряда внутри вида, рода или семейства. Наиболее часто встречаются у покрытосеменных растений, особенно у мхов, папоротников.
ПОЛИПЛОИДИЯ, увеличение числа наборов хромосом в клетках организма, кратное гаплоидному (одинарному) числу хромосом; тип геномной мутации. Половые клетки большинства организмов гаплоидны (содержат один набор хромосом – n), соматические – диплоидны (2n). Организмы, клетки которых содержат более двух наборов хромосом, называются полиплоидами: три набора – триплоид (3n), четыре – тетраплоид (4n) и т. д. Наиболее часто встречаются организмы с числом хромосомных наборов, кратным двум, – тетраплоиды, гексаплоиды (6 n) и т. д. Полиплоиды с нечётным числом наборов хромосом (триплоиды, пентаплоиды и т. д.) обычно не дают потомства (стерильны), т. к. образуемые ими половые клетки содержат неполный набор хромосом – не кратный гаплоидному.
Полиплоидия может возникнуть при нерасхождении хромосом в мейозе. В этом случае половая клетка получает полный (нередуцированный) набор хромосом соматической клетки (2n). При слиянии такой гаметы с нормальной (n) образуется триплоидная зигота (3n), из которой развивается триплоид. Если обе гаметы несут по диплоидному набору, возникает тетраплоид. Полиплоидные клетки могут возникнуть в организме при незавершённом митозе: после удвоения хромосом деления клетки может не происходить, и в ней оказываются два набора хромосом. У растений тетраплоидные клетки могут дать начало тетраплоидным побегам, цветки которых будут вырабатывать диплоидные гаметы вместо гаплоидных. При самоопылении может возникнуть тетраплоид, при опылении нормальной гаметой – триплоид. При вегетативном размножении растений сохраняется плоидность исходного органа или ткани.
36. Автополиплоиды. Особенности получения, мейотического деления, расщепления.
Автополиплоиды (картофель, люцерна, кофе) – это организм, возникший путем спонтанного или индуцированного прямого увеличения числа хромосом вдвое. Внутри вида.
Увеличение числа хромосом в клетках приводит к увеличению размеров ядра и клетки в целом. Соответственно и размеры растения увеличиваются.
Особенности мейотического деления: у автополиплоидов в каждой клетке находится по четыре гомологичные хромосомы. В результате мейоза обнаруживаются биваленты, квадриваленты, триваленты и униваленты. Это приводит к нарушению мейоза и образованию гамет с аномалиями в числе хромосом. Многие гаметы с несбалансированным числом погибают, или оказываются стерильными.
Из-за нарушений в мейозе семенная продуктивность этих видов снижена, многие из них размножают вегетативно
Сбалансированными полиплоидами называются полиплоиды с чётным числом хромосомных наборов, а несбалансированными – полиплоиды с нечетным числом хромосомных наборов.
Положительные эффекты полиплоидии связаны с увеличением числа копий одного и того же гена в клетках, и, соответственно, в увеличении дозы (концентрации) ферментов. Однако в ряде случаев полиплоидия приводит к угнетению физиологических процессов, особенно при очень высоких уровнях плоидности. Например, 84-хромосомная пшеница менее продуктивна, чем 42-хромосомная.
Мейоз у автополиплоидов. (Из интернета)
Автополиплоидные клетки нормально делятся путем митоза, поскольку митоз нормально протекает при любом числе хромосом. Однако всеавтополиплоиды характеризуются различными нарушениями в мейозе, что приводит к пониженной фертильности (пониженной плодовитости) или стерильности (полному бесплодию). У диплоидных организмов в профазе мейоза I образуются биваленты, а у полиплоидов – структуры, состоящие из множества хромосом – поливаленты, или мультиваленты.
К поливалентам относятся триваленты (состоят из трех хромосом), квадриваленты (из четырех хромосом) и т.д. При этом в одной точке могут конъюгировать только две хромосомы. При наличии унивалентов первое деление мейоза может быть эквационным, то есть к полюсам могут расходиться однохроматидные хромосомы. В этих случаях правильная сегрегация хромосом (в соотношении 1:1, 2:2, 3:3 и т.д.) нарушается, а плодовитость таких организмов сильно снижена.
У несбалансированных автополиплоидов хромосомы представлены нечетным числом гомологов. Например, у триплоидов каждая хромосома представлена тремя гомологами. Тогда в профазе мейоза I наряду с бивалентами образуются структуры, состоящие из одной хромосомы (униваленты) или из трех хромосом (триваленты). Вероятность того, что у одного полюса окажутся два полных хромосомных набора 2n, а у другого полюса – один полный хромосомный набор n, очень мала. Поэтому несбалансированные автополиплоиды практически бесплодны (стерильны).
У сбалансированных автополиплоидов хромосомы представлены четным числом гомологов. Например, у тетраплоидов каждая хромосома представлена четырьмя гомологами. Тогда в профазе мейоза I наряду с бивалентами, унивалентами и тривалентами образуются структуры, состоящие из четырех хромосом (квадриваленты). Тогда у тетраплоидов гомологи могут образовывать следующие комбинации: 2+2 (два бивалента), 3+1 (тривалент и унивалент), 4 (квадривалент), а также 2+1+1 (бивалент и два унивалента) или 1+1+1+1 (четыре унивалента). В большинстве случаев нормальная сегрегация хромосом оказывается невозможной. Нормальное распределение хромосом по дочерним клеткам в соотношении 2:2 наблюдается только у тех организмов, у которых преимущественно образуются биваленты, например, у свеклы, арбуза. В последнем случае образуются гаметы, содержащие удвоенное основное хромосомное число (2 х).
Вероятно, полиплоидность – это более древнее состояние кариотипа, чем диплоидность. Однако диплоидность сводит к минимуму нарушения в мейозе, и поэтому большинство современных организмов, у которых имеется мейоз, является диплоидами (диплобионтами).
Таким образом, в большинстве случаев полиплоиды воспроизводят себя, минуя половой процесс. В искусственных условиях полиплоидные сорта растений обычно сохраняют с помощью вегетативного размножения. Триплоидные семена получают, скрещивая автотетраплоидные и диплоидные сорта. В этом случае гаметы с удвоенным основным хромосомным числом (2 х) сливаются с нормальными гаметами (х).
Автотриплоиды – относятся к автополиплоидам. Растения обычно стерильны, образуются в результате скрещивания тетраплоидных растений с диплоидными. Но они полезны с хозяйственной точки зрения: к примеру автотриплоидные растения свеклы имеют на 2% больше сахара, чем диплоид и тетраплоид.