А. Генетический код
Большая часть генетической информации, содержащейся в ДНК, кодирует последовательность аминокислот. Процесс экспрессии генетической информации включает транскрипцию «текста», записанного на «языке нуклеиновой кислоты», в текст, записанный на «языке белков». Таково происхождение термина трансляция (дословно — перевод), используемого для обозначения процесса биосинтеза белков. Правила, которым следует трансляция, называют генетическим кодом.
Поскольку в биосинтезе участвуют 20 аминокислот, называемых протеиногенными, «язык» нуклеиновых кислот должен содержать по крайней мере 20 слов (кодонов) Однако в аминокислотном «алфавите» имеется только четыре «буквы» (А, Г, Ц и У или Т [или в англ. транскрипции: A, G, С и U или Т*]), так что для получения 20 различных слов каждое должно состоять по крайней мере из трех букв. Кодоны действительно включают три азотистых основания (триплет нуклеотидов). На схеме 1 представлен стандартный код ДНК (последовательность триплетов в некодирующей цепи), изображенный в виде круга. Схема читается от центра наружу, так что, например, триплет CAT кодирует аминокислоту гистидин. ДНК-кодоны идентичны таковым в мРНК (mRNA), за исключением того, что в мРНК вместо урацила (U), характерного для ДНК, стоит тимин (Т).
В качестве примера прочтения кода на схеме 2 показаны короткие участки нормального и мутантного гена β-глобина вместе с соответствующими последовательностями мРНК и аминокислот. Здесь показаны относительно часто встречающиеся точковые мутации, в результате которых остаток глутаминовой кислоты в положении 6 β-цепи заменен на валин. Такой мутантный гемоглобин в дезоксиформе склонен к агрегации, что вызывает деформацию эритроцитов и уменьшает эффективность транспорта кислорода (серповидноклеточная анемия).
В триплетном генетическом коде для 20 аминокислот потенциально существует 43 = 64 кодона. Таким образом, большинство аминокислот записывается несколькими кодонами, т. е. генетический код является вырожденным. Кроме того, имеются три триплета, которые обозначают конец транскрипции (стоп-кодоны). Еще один специальный кодон, стартовый (инициирующий) кодон, маркирует начало трансляции. Генетический код, показанный на рисунке, является почти универсальным. Этому стандарту не полностью соответствуют только митохондрии (см. с. 212) и некоторые микроорганизмы.
Б. Активация аминокислот
Для каждой из 20 аминокислот имеется соответствующая аминоацил-тРНК-лигаза, которая в цитоплазме соединяет аминокислоту с тPHK(tRNA) (см. с. 88). Этот процесс активации аминокислот осуществляется в две стадии. Сначала аминокислота связывается с ферментом и реагирует с АТФ (АТР), образуя макроэргический смешанный ангидрид — аминоациладенилат. Затем аминоацильный остаток переносится на концевую 3'-ОН-группу концевого остатка рибозы тРНК (другой группой лигаз аминоацил переносится на 2'-ОН-группу). В аминоацил-тРНК карбоксильная группа аминокислотного остатка этерифицируется остатком рибозы 3'-концевого остатка аденозина, входящего в последовательность...ССА-3'.
Точность трансляции зависит, прежде всего, от субстратной специфичности аминоацил-тРНК-лигаз.Корректирующий механизм активного центра лигазы обеспечивает немедленное удаление ошибочно присоединенных аминокислотных остатков. В среднем встречается только одна ошибка на 1300 аминокислотных остатков — поразительно высокая точность «работы», если представить, насколько близки структуры некоторых аминокислот.
В. Asp-тРНК-лигаза (димер)
Процесс активации аминокислот представлен на примере лигазы, специфичной для аспарагиновой кислоты. Молекулы фермента (окрашены в оранжевый цвет) связаны между собой в димер, причем каждая субъединица ассоциирована с одной молекулой тРНК (окрашены в голубой цвет). В активном центре присутствует остаток АТФ (окрашен в зеленый цвет), связанный с 3'-концом тРНК Другой домен белка (слева вверху) отвечает за «узнавание» антикодона тРНК.
57. Классификация мутаций.
a) по уровню возникновения:
· генные: инверсии; замены (транзиции и трансверии); дупликации; инсерции; делеции – ведут к сдвигу рамки считывания.
· хромосомные: внутрихромосомные – дупликации, делеции, инверсии; межхромосомные – транслокации, транспозиции.
· геномные: поли-, анеу-, гаплоидия.
b) по типу аллельных взаимодействий: рецессивные, доминантные.
c) по влиянию на жизнеспособность: летальные, вредные, нейтральные, полезные.
d) по происхождению: спонтанные, индуцибельные.
e) по месту возникновения: генеративные, соматические.
f) по фенотипическому проявлению: - биохимические, физиологические, морфологические.
58. Свойства генетического кода.
Генетический код - система "записи" наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в молекулах НК.
Свойства:
1. Триплетность (кодовое число кратно трем).
2. Универсальность (генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности).
3. Неперекрываемость (один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов, доказательством служит то, что одна мутация приводит к замене одного аминокислотного остатка).
4. Вырожденность (одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов).
5. Без запятых (информация считывается непрерывно).
59. Транскрипция и созревания мРНК.
Транскрипция
Для того чтобы хранящаяся в ДНК информация могла быть использована, ее необходимо переписать (транскрибировать) в последовательность РНК. При этом ДНК служит только матрицей, т. е. она не меняется в процессе транскрипции. Транскрибируемые последовательности ДНК, т. е. участки ДНК, которые кодируют определенные белки, называются генами. Установлено, что геном млекопитающих содержит по крайней мере 50000 индивидуальных генов, которые вместе составляют менее 20% суммарной ДНК генома. Функция «избыточных» последовательностей ДНК до конца не установлена.
А. Транскрипция и созревание РНК: общие сведения
Транскрипция осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами. Они действуют подобно ДНК-полимеразам, за исключением того, что включают во вновь синтезируемую цепь РНК (RNA) рибонуклеотиды вместо дезоксирибонуклеотидов и не нуждаются в праймерах. Эукариотические клетки обычно содержат по крайней мере три различных типа РНК-полимераз,РНК-полимераза I катализирует синтез РНК с коэффициентом седиментации 45S, которая служит предшественником трех различных рибосомных РНК. РНК-полимеразы IIсинтезируют гяРНК (hnRNA), которые служат предшественниками мРНК (mRNA) и мяРНК (snRNA). Наконец, РНК-полимераза III транскрибирует гены, которые кодируют тРНК (tRNA), 5S- рРНК (rRNA) и некоторые мРНК. Эти РНК служат предшественниками функциональных РНК, которые образуются в процессе созревания РНК. РНК-полимераза II ингибируетсяα-аманитином (ядом бледной поганки).
Б. Структура β-глобинового гена
В качестве примера организации небольшого эукариотического гена представлена схема гена, кодирующего β-цепь гемоглобина (146 аминокислот). Этот ген состоит из более чем 2000 п.о. (2 тыс. п.о.). Однако из них только около 450 п.о. из них несут информацию об аминокислотной последовательности β-глобина. Кроме трех кодирующих участков (экзонов), ген включает два некодирующих (интроны, I1 и I2). На 5'-конце гена располагается промоторный участок (розовый цвет) длиной приблизительно 200 п.о., который имеет регуляторную функцию. Транскрипция начинается с 3'-конца промоторного участка и продолжается, пока не достигнет сайта полиаденилирования (см. ниже). Образующийся первичный транскрипт (гяРНК) β-глобинового гена состоит из ~1600 п.о. Во время созревания РНК некодирующие последовательности, соответствующие интронам, удаляются и, кроме того, оба конца гяРНК модифицируются. Зрелая β-глобиновая мРНК включает в себе ~40% гяРНК и дополнительно 3'-концевую последовательность из 100-200 АМФ (AMP) («поли-А-сегмент»).
У многих генов разделение на экзоны и интроны еще более выражено. Так, общая длина генадигидрофолатредуктазы составляет выше 30 тыс.п.о. Информация об аминокислотной последовательности распределена по 6 экзонам, которые в сумме составляют только ~6 тыс.п.о.
В. Процесс транскрипции
Как уже упоминалось, РНК-полимераза II связывается с 3'-концом промоторного участка. Последовательность, обеспечивающая это связывание, так называемый ТАТА-бокс, короткий А- и Т-обогащенный участок, последовательность которого слегка варьирует у разных генов. Типичная последовательность (каноническая) —...ТАТААА.... Для взаимодействия полимеразы с этим участком необходимы несколько белков, основных факторов транскрипции. Дополнительные факторы могут либо стимулировать, либо ингибировать этот процесс (контроль транскрипции).
После инициации синтеза (2), РНК-полимераза движется в направлении 3'→5' матричной цепи. В процессе инициации фермент разделяет короткий участок двойной спирали ДНК на две отдельные цепочки. Нуклеозидтрифосфаты связываются комплементарно на кодирующей цепочке ДНК водородными связями и шаг за шагом присоединяются к растущей молекуле РНК (3). Вскоре после начала элонгации 5'-конец транскрипта защищается «кэпом». Как только транскрипция доходит до сайта полиаденилирования (обычно это последовательность...ААТААА...), транскрипт отщепляется (4). После этого полимераза прекращает транскрипцию и диссоциирует от ДНК.
Созревание РНК
Большинство меток организма содержит полный набор генов, но обычно из этого набора используется крайне незначительный объем информации. Постоянно транскрибируются только те гены, которые кодируют структурные белки и ферменты промежуточного метаболизма. Кроме этих постоянно необходимых генов имеется много других генов, активных только в определенных типах клеток, при определенных метаболических условиях или во время дифференцировки.
А. Контроль на уровне транскрипции
Порядок транскрибирования генов определяется регуляторной системой, которая носит названиесистемы регуляции транскрипции. Контроль транскрипции осуществляется структурами двух типов. Большинство генов содержат в своем промоторном участке несколько коротких сегментов ДНК (DNA) (регуляторные элементы, цис-действующие элементы), с которыми могут связываться факторы транскрипции. Регуляторные элементы, стимулирующие транскрипцию связанных с ними генов, называются энхансерами (усилителями, от англ. enhancer). Белки, подавляющие транскрипцию. — сайленсерами (успокоителями, от англ. silencer). Факторы транскрипции — это белки, т. е. продукты других, независимых генов. Поэтому их называютопосредованно действующими факторами. Для процесса транскрипции генов требуются не только РНК-полимераза, но и другие белки, называемые основными факторами транскрипции. Установлено, что у эукариот таким фактором является ТАТА-связывающий белок (ТСБ, англ. ТАТА-Вох Binding Protein, TBP), который взаимодействует с основным регуляторным элементом. ТАТА-боксом, присутствующим в большинстве генов. С этим комплексом затем связываются другие основные факторы транскрипции и РНК-полимеразы. Дополнительные факторы могут влиять на инициацию транскрипции, связываясь с другими регуляторными элементами. Отсюда они взаимодействуют с основным транскрипционным комплексом, либо активируя, либо ингибируя его. Такие факторы активируют, например, комплексы стероидных гормонов с рецепторами. По завершении транскрипции из гяРНК вырезаются интроны, содержащие некодирующие последовательности.
Б. Сплайсинг
Сплайсинг РНК катализируется комплексами белков с РНК, известными как «малые ядерные рибонуклеопротеидные частицы» (мяРНП, англ. small nuclear ribonucleic particles, snRNP). Интроны, входящие в гяРНК (hnRNA), имеют специфические последовательности на 3'- и 5'-концах (а). На первой стадии сплайсинга ОН-группа аденозилового остатка, расположенного в интроне, атакует (при участии мяРНП) и расщепляет фосфодиэфирную связь на 5'-конце интрона (б). Одновременно в интроне образуется новая связь, которая придает ему форму петли (в). На второй стадии терминальная ОН-группа 5'-концевого интрона атакует связь в 3'-конце интрона. В результате оба экзона соединяются, а интрон освобождается (г).
В этой реакции принимают участие пять различных мяРНП (U1, U2, U4, U5 и U6). В каждой из реакций задействованы несколько белковых молекул и одна молекула мяРНК (snRNA). Во время сплайсинга комплексы из гяРНК и мяРНП образуют сплайсому. Полагают, что мяРНК в сплайсоме образуют канонические пары друг с другом и с гяРНК и таким образом фиксируют и ориентируют их реакционные группы. Собственно катализ обусловлен РНК-составляющей сплайсомы Такие каталитические РНК носят название рибозимов.
В. 5'- и 3'-Концевые модификации мРНК
У эукариот после завершения собственно транскрипции 5'-конец растущей молекулы РНК блокируется структурой, которая называется кэп (от англ. cap). В случае мРНК кэп состоит из 7'-метил-ГТФ и защищает РНК от гидролиза 5'-экзонуклеазами. В конце транскрипции к 3'-концу присоединяется полиадениловая последовательность, которая может включать до 200 звеньев АМФ (AMP). Только после этого созревшая мРНК (mRNA) покидает ядро.
60. Особенности генетики человека.
Генетика человека – это особый раздел генетики, который изучает особенности наследования признаков у человека, наследственные заболевания (медицинская генетика), генетическую структуру популяций человека. Генетика человека является теоретической основой современной медицины и современного здравоохранения.
Поскольку человек – это не только биологическое, но и социальное существо, генетика человека отличается от генетики большинства организмов рядом особенностей:
· Нельзя поставить направленное скрещивание, т.е. неприменим гибридологический анализ. Поэтому для генетического анализа используются специфические методы: генеалогический, близнецовый, а также цитогенетические, биохимические, популяционный.
· Невозможно обеспечить конкретные условия для скрещивания
· Позднее половое созревание и мало потомства
· Много хромосом в кариотипе
· Невозможно экспериментальное получение мутаций
Генетика человека изучает особенности наследования признаков у человека, наследственные заболевания, генетическую структуру популяций человека. Генетика человека является теоретической основой современной медицины и современного здравоохранения. Известно несколько тысяч собственно генетических заболеваний, которые почти на 100% зависят от генотипа особи. К наиболее страшным из них относятся: кислотный фиброз поджелудочной железы, фенилкетонурия,галактоземия, различные формы кретинизма, гемоглобинопатии, а также синдромы Дауна, Тернера, Кляйнфельтера. Кроме того, существуют заболевания, которые зависят и от генотипа, и от среды: ишемическая болезнь, сахарный диабет, ревматоидныезаболевания, язвенные болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, многие онкологические заболевания, шизофрения и другие заболевания психики.
Задачи медицинской генетики заключаются в своевременном выявлении носителей этих заболеваний среди родителей, выявлении больных детей и выработке рекомендаций по их лечению. Большую роль в профилактике генетически обусловленных заболеваний играют генетико-медицинские консультации и пренатальная диагностика.
Существуют специальные разделы прикладной генетики человека (экологическая генетика, фармакогенетика, генетическая токсикология), изучающие генетические основы здравоохранения. При разработке лекарственных препаратов, при изучении реакции организма на воздействие неблагоприятных факторов необходимо учитывать как индивидуальные особенности людей, так и особенности человеческих популяций.