Структурно-функціональна організація генетичного матеріалу

2. Історія формування уявлень про організацію матеріального субстрату спадковості і мінливості

3. Загальні властивості генетичного матеріалу та рівні організації генетичного апарату

4. Генний рівень організації генетичного апарату

4.1 Хімічна організація гена

4.1.1 Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона і Ф. Кріка

4.1.2 Спосіб запису генетичної інформації в молекулі ДНК. Біологічний код і його властивості

4.2 Властивості ДНК як речовини спадковості і мінливості

4.2.1 Самовідтворення спадкового матеріалу. Реплікація ДНК

4.2.2 Механізми збереження нуклеогідной послідовності ДНК. Хімічна стабільність. Реплікація. Репарація

4.2.3 Зміни нуклеотидних послідовностей ДНК.

4.2.4 Елементарні одиниці мінливості генетичного матеріалу. Мутон. Рекон

4.2.5 Функціональна класифікація генних мутацій

4.2.6 Механізми, що знижують несприятливий ефект генних мутацій

4.3 Використання генетичної інформації в процесах життєдіяльності

4.3.1 Роль РНК в реалізації спадкової інформації

4.3.2 Особливості організації та експресії генетичної інформації у про - та еукаріотів

1. Спадковість і мінливість - фундаментальні властивості живого

млрд. лет назад), что обеспечивается преемственностью поколений живых систем. Життя як особливе явище характеризується тривалістю існування в часі (на Землі вона виникла більше 3,5 млрд. років тому), що забезпечується наступністю поколінь живих систем. Відбувається зміна поколінь клітин в організмі, зміна поколінь організмів в популяціях, зміна видів у системі біоценозу, зміна біоценозів, що утворюють біосферу. В основі безперервного існування життя в часі лежить здатність живих систем до самовідтворення. Збереження життя в мінливих умовах виявляється можливим завдяки еволюції живих форм, в процесі якої у них з'являються зміни, що забезпечують пристосування до нового середовища проживання. Безперервність існування та історичний розвиток живої природи обумовлені двома фундаментальними властивостями життя: спадковістю та мінливістю.

У навчальних курсах властивості спадковості і мінливості традиційно розглядають щодо клітини і організму. На самому ділі вони виявляються і на надорганізмові рівні. На клітинному та організменному (онтогенетичному) рівнях організації живого під спадковістю розуміють властивість клітин або організмів у процесі самовідтворення передавати новому поколінню здатність до певного типу обміну речовин та індивідуального розвитку, в ході якого у них формуються загальні ознаки та властивості даного типу клітин і виду організмів, а також деякі індивідуальні особливості батьків. На популяційно-видовому рівні організації життя спадковість проявляється у підтримці постійного співвідношення різних генетичних форм у ряду поколінь організмів даної популяції (виду). На биоценотическом рівні тривале існування біоценозу забезпечується збереженням певних співвідношень видів організмів, які складають цей біоценоз.

У ході виникнення і розвитку життя на Землі спадковість грала вирішальну роль, так як закріплювала в низці поколінь біологічно корисні еволюційні придбання, забезпечуючи певний консерватизм організації живих систем. Спадковість є одним з головних факторів еволюції.

Тривале існування живої природи в часі на тлі мінливих умов було б неможливим, якби живі системи не мали здатність до придбання і збереження деяких змін, корисних у нових умовах середовища. Властивість живих систем набувати зміни та існувати в різних варіантах називається мінливістю.

В окремих клітин і організмів одного виду мінливість, зачіпаючи їх індивідуальний розвиток, проявляється у виникненні відмінностей між ними. На популяційно-видовому рівні організації життя ця властивість виявляється в наявності генетичних відмінностей між окремими популяціями виду, що лежить в основі утворення нових видів. Поява нових видів вносить зміни до міжвидові взаємовідносини в біоценозах. Мінливість в певному сенсі відображає динамічність організації живих систем і поряд зі спадковістю є провідним чинником еволюції. Незважаючи на те що за своїми результатами спадковість і мінливість різноспрямовані, в живій природі ці два фундаментальні властивості утворюють нерозривну єдність, чим досягається одночасно збереження в процесі еволюції наявних біологічно доцільних якостей і виникнення нових, які роблять можливим існування життя в різноманітних умовах.

2. Історія формування уявлень про організацію матеріального субстрату спадковості і мінливості

Спадковість і мінливість як найважливіші властивості будь-якої живої системи забезпечуються функціонуванням особливого матеріального субстрату. У ході історичного розвитку біологічної науки уявлення про його властивості, організації та хімічної природі постійно розширюються і ускладнюються.

в. У 60-х рр.. XIX ст. высказал первые предположения об организации наследственного материала. основоположник генетики (науки про спадковість і мінливість) Г. Мендель (1865) висловив перші припущення про організацію спадкового матеріалу. На підставі результатів своїх експериментів на горосі він прийшов до висновку, що спадковий матеріал дискретний, тобто представлений окремими спадковими задатками, що відповідають за розвиток певних ознак організмів. За твердженням Менделя, в спадковому матеріалі організмів, що розмножуються статевим шляхом, розвиток окремої ознаки забезпечується парою алельних задатків, що прийшли зі статевими клітинами від обох батьків. При утворенні гамет у кожну з них потрапляє лише один з пари алельних задатків, тому гамети завжди "чисті". г.В. У 1909 Г.В. Йогансен назвав "спадкові задатки" Менделя генами.

в. 80-і рр.. XIX ст. хромосомы (В. Вольдейер, 1888). ознаменувалися важливими досягненнями в області цитології: були описані мітоз і мейоз - розподіл відповідно соматичних і статевих клітин, в ході яких закономірно між дочірніми клітинами розподіляються ядерні структури - хромосоми (В. Вольдейер, 1888).

в.Т. Дані про характер розподілу хромосом у процесі клітинного ділення дозволили на початку XX В.Т. и У. Сетгону ( 1902-1903) сделать вывод о том, что преемственность свойств в ряду поколений клеток и организмов определяется преемственностью их хромосом. Бовері (1902-1907) і У. Сетгону (1902-1903) зробити висновок про те, що спадкоємність властивостей у ряді поколінь клітин і організмів визначається спадкоємністю їх хромосом. Хромосоми стали розглядати як матеріальні носії спадкової програми.

в. Подальша розробка хромосомної теорії спадковості, яка об'єднує уявлення про спадкові задатки і хромосомах, була здійснена на початку XX ст. Т. Морганом і його співробітниками. У дослідах, виконаних на дрозофілі, було підтверджено раніше висловлене припущення про роль хромосом у забезпеченні спадковості. Встановлено, що гени розміщуються в хромосомах, розташовуючись у них в лінійному порядку. Гени кожної хромосоми утворюють групу зчеплення, кількість яких визначається кількістю хромосом у статевих клітинах. Гени однієї групи зчеплення успадковуються, як правило, спільно. частота которого зависит от расстояния между генами. Проте у ряді випадків відбувається їх перекомбінація у зв'язку з кросинговером, частота якого залежить від відстані між генами.

единство дискретности и непрерывности наследственного материала. Таким чином, в хромосомної теорії знайшов відображення один з найважливіших принципів генетики - єдність дискретності та безперервності спадкового матеріалу.

в. Необхідно відзначити, що також на початку XX ст. були виявлені факти, які доводили наявність в клітинах позахромосомних спадкового матеріалу, що розташовується в різних цитоплазматичних структурах і визначає особливу цитоплазматичну спадковість (К. Корренс, 1908).

де Фризом (1901) были заложены основы учения о мутационной изменчивости, связанной с внезапно возникающими изменениями в наследственных задатках или хромосомах, что приводит к изменениям тех или иных признаков организма. Приблизно в цей же час X. де Фріз (1901) були закладені основи вчення про мутаційної мінливості, пов'язаної з раптово виникають змінами в спадкових задатках або хромосомах, що призводить до змін тих чи інших ознак організму. У наступні роки було виявлено мутагенну дію на хромосоми і гени рентгенівських променів, радіаційного випромінювання, певних хімічних речовин і біологічних агентів.

У результаті цих досліджень стало очевидним, що спадковість і мінливість обумовлені функціонуванням одного і того ж матеріального субстрату.

в. У перші десятиліття XX ст. були отримані дані, що свідчать на користь залежності стану ознак від характеру взаємодії генів, що виходило за рамки відносин домінантних і рецесивних, описаних ще Менделем. генотипе, который сосредоточен в хромосомном наборе - кариотипе. Звідси з'явилося подання про генетичному апараті як про систему взаємодіючих генів - генотипі, який зосереджений у хромосомному наборі - каріотипі.

белки и нуклеиновые кислоты. Вивчення хімічного складу хромосом виявило два основних види сполук, що утворюють ці структури, - білки і нуклеїнові кислоти. в. У першій половині XX ст. дослідниками вирішувалося питання про хімічну природу субстрату спадковості і мінливості. Спочатку висловлювалися припущення на користь білків. г.Ф. У 1928 Г.Ф. Гриффітом був поставлений досвід на пневмокока, в якому спостерігалася зміна (трансформація) деяких спадкових властивостей одного бактеріального штаму під впливом матеріалу, отриманого з убитих клітин іншого штаму. г.О. Хімічна природа речовини, трансформуючого спадкові властивості бактерій, була встановлена ​​лише у 1944 Г.О. Ейвері, що довели його приналежність до нуклеїнових кислот (ДНК).

Іншими доказами участі ДНК у забезпеченні спадковості і мінливості є:

1) сталість вмісту ДНК у всіх типах соматичних клітин організму;

2) відповідність змісту ДНК плоїдності клітин (в соматичних клітинах її вдвічі більше, ніж у статевих, у поліплоїдних клітинах воно відповідає кількості наборів хромосом);

3) явище генетичної рекомбінації у бактерій при їх кон'югації, в ході якої здійснюється проникнення частини ДНК з однієї клітини в іншу і зміна властивостей останньої;

4) явление трансдукции; зміна спадкових властивостей бактеріальних клітин шляхом переносу ДНК від одного штаму до іншого за допомогою ДНК-фага - явище трансдукції;

5) інфікуюча активність ізольованою нуклеїнової кислоти вірусів.

пространственной модели молекулы ДНК. Важливим результатом цілеспрямованого вивчення нуклеїнових кислот було створення Дж. Уотсоном і Ф. Криком (1953) просторової моделі молекули ДНК.

в. У другій половині XX ст. зусилля вчених спрямовані на вивчення властивостей нуклеїнових кислот, що становлять основу їх генетичних функцій, способів запису та зчитування спадкової інформації, характеру і структури генетичного коду, механізмів регуляції активності генів у процесі формування окремих ознак та фенотипу в цілому. У 60-х рр.. Кораны и других была произведена полная расшифровка генетического кода, установлено соответствие триплетов нуклеотидов в молекуле нуклеиновых кислот определенным аминокислотам. роботами М. Ниренберга, С. Очоа, X. Корани і інших була проведена повна розшифровка генетичного коду, встановлено відповідність триплетів нуклеотидів в молекулі нуклеїнових кислот певним амінокислотам. У 70-х рр.. стали активно розроблятися методи генної інженерії, що дозволяють цілеспрямовано змінювати спадкові властивості живих організмів.

столетия, благодаря новым молекулярно-генетическим технологиям, появилась возможность определять последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК геномов различных организмов (прочтение ДНК-текстов). До кінця XX століття, завдяки новим молекулярно-генетичним технологіями, з'явилася можливість визначати послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК геномів різних організмів (прочитання ДНК-текстів). млрд. ДНК-тексти геному людини, представлені в цілому 3 млрд. году. пар нуклеотидів, в основному прочитані до 2001 року. Науково-практичний напрямок молекулярної біології, яке має на меті визначення нуклеотидних послідовностей молекул ДНК, отримало назву геноміки.

3. Загальні властивості генетичного матеріалу та рівні організації генетичного апарату

На підставі наведених вище визначень спадковості і мінливості можна припустити, яким вимогам повинен відповідати матеріальний субстрат цих двох властивостей життя.

По-перше, генетичний матеріал повинен мати здатність до самовідтворення, щоб в. процесі розмноження передавати спадкову інформацію, на основі якої буде здійснюватися формування нового покоління. По-друге, для забезпечення стійкості характеристик в ряду поколінь спадковий матеріал повинен зберігати постійної свою організацію. По-третє, матеріал спадковості і мінливості повинен мати здатність набувати зміни і відтворювати їх, забезпечуючи можливість історичного розвитку живої матерії в мінливих умовах. Тільки у випадку відповідності зазначеним вимогам матеріальний субстрат спадковості і мінливості може забезпечити тривалість і безперервність існування живої природи та її еволюцію.

Сучасні уявлення про природу генетичного апарату дозволяють виділити три рівні його організації: генний, хромосомний і геномний. На кожному з них виявляються основні властивості матеріалу спадковості і мінливості і певні закономірності його передачі і функціонування.

4. Генний рівень організації генетичного апарату

Елементарної функціональною одиницею генетичного апарату, що визначає можливість розвитку окремого ознаки клітини або організму даного виду, є ген (спадковий завдаток, за Г. Менделя). наследование потомками признаков родителей. Передачею генів в ряду поколінь клітин або організмів досягається матеріальна спадкоємність - успадкування нащадками ознак батьків.

Під ознакою розуміють одиницю морфологічної, фізіологічної, біохімічної, імунологічної, клінічної та будь-який інший дискретності організмів (клітин), тобто окреме якість чи властивість, за яким вони відрізняються один від одного.

ферментов, иммунопротеинов, структурных, сократительных, транспортных и других белков. Більшість перерахованих вище особливостей організмів або клітин відноситься до категорії складних ознак, формування яких вимагає синтезу багатьох речовин, в першу чергу білків зі специфічними властивостями - ферментів, іммунопротеінов, структурних, скорочувальних, транспортних та інших білків. Властивості білкової молекули визначаються амінокислотною послідовністю її поліпептидного ланцюга, яка прямо задається послідовністю нуклеотидів в ДНК відповідного гена і є елементарним, або простим, ознакою.

Основні властивості гена як функціональної одиниці генетичного апарату визначаються його хімічної організацією,

4.1 Хімічна організація гена

в ядрах клеток гноя. Дослідження, спрямовані на з'ясування хімічної природи спадкового матеріалу, незаперечно довели, що матеріальним субстратом спадковості і мінливості є нуклеїнові кислоти, які були виявлені Ф. Мішер (1868) в ядрах клітин гною. Нуклеїнові кислоти є макромолекулами, тобто відрізняються великою молекулярною масою. нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин или пиримидин). Це полімери, що складаються з мономерів - нуклеотидів, що включають три компоненти: цукор (пентозу), фосфат і азотна основа (пурин або піримідин). фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа - ОН (рис.1 ). До першого атома вуглецю в молекулі пентози С-1 'приєднується азотна основа (аденін, гуанін, цитозин, тимін або урацил), а до п'ятого атому вуглецю С-5' за допомогою ефірного зв'язку - фосфат; у третього атома вуглецю С-3 ' завжди є гідроксильна група - ВІН (рис.1).

В результате образуется полинуклеотидная цепь. З'єднання нуклеотидів в макромолекулу нуклеїнової кислоти відбувається шляхом взаємодії фосфату одного нуклеотиду з гідроксилом іншого так, що між ними встановлюється фосфодіефірних зв'язок (рис.2). У результаті утворюється полинуклеотидная ланцюг. Остов ланцюга складається з чергуються молекул фосфату і цукру. До молекулам пентози в положенні С-1 'приєднано одне з перерахованих вище азотистих основ (рис.3).

Схема строения нуклеотида Рис.1. Схема будови нуклеотиду

Пояснення див. у тексті; позначення компонентів нуклеотиду, використані в цьому малюнку, зберігаються у всіх наступних схемах нуклеїнових кислот

предыдущего нуклеотида (рис. 3.3 ). Благодаря отмеченной специфике действия названного фермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце: там, где находится свободный гидроксил в положении 3'. Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5'. Это позволяет выделить в ней 5' и 3 '-концы. Збірка полинуклеотидной ланцюга здійснюється за участю ферменту полімерази, який забезпечує приєднання фосфатної групи наступного нуклеотиду до гідроксильної групи, що стоїть в положенні 3 ', попереднього нуклеотиду (рис. 3.3). Завдяки зазначеної специфіці дії названого ферменту нарощування полинуклеотидной ланцюга відбувається тільки на одному кінці: там , де знаходиться вільний гідроксил у положенні 3 '. Початок ланцюга завжди несе фосфатну групу в положенні 5'. Це дозволяє виділити в ній 5 'і 3'-кінці.

Серед нуклеїнових кислот розрізняють два види з'єднань: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнової (РНК) кислоти. хромосом - обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости. Вивчення складу основних носіїв спадкового матеріалу - хромосом - виявило, що їх найбільш хімічно стійким компонентом є ДНК, яка представляє собою субстрат спадковості і мінливості.

4.1.1 Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона і Ф. Кріка

дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований - пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин). ДНК складається з нуклеотидів, до складу яких входять цукор - дезоксирибоза, фосфат і одне з азотистих основ - пурин (аденін або гуанін) або піримідин (тимін або цитозин). Особливістю структурної організації ДНК і те, що її молекули включають дві полінуклеотидні ланцюга, пов'язані між собою певним чином. г. Відповідно з тривимірною моделлю ДНК, запропонованої в 1953 р. американським біофізиком Дж. Уотсоном і англійським біофізиком та генетиком Ф. Криком, ці ланцюги з'єднуються один з одним водневими зв'язками між їх азотистими підставами за принципом комплементарності. Аденін одного ланцюга з'єднується двома водневими зв'язками з тиміном іншого кола, а між гуаніном і цитозином різних ланцюгів утворюються три водневі зв'язки. Таке з'єднання азотистих основ забезпечує міцний зв'язок двох ланцюгів і збереження рівного відстані між ними на всьому протязі.

Схема строения молекулы ДНК. Рис.4. Схема будови молекули ДНК. Стрілками позначена антілараллельность цілей.

-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот (рис.4 ). Іншою важливою особливістю об'єднання двох полінуклеотидних ланцюжків в молекулі ДНК є їх антипараллельно: 5 '-кінець одного ланцюга з'єднується з 3'-кінцем інший, і навпаки (рис. 4).

Дані рентгеноструктурного аналізу показали, що молекула ДНК, що складається з двох ланцюгів, утворює спіраль, закручену навколо власної осі. нм, длина шага - 3, 4 нм. Діаметр спіралі становить 2 нм, довжина кроку - 3, 4 нм. пар нуклеотидов. У кожний виток входить 10 пар нуклеотидів.

при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Найчастіше подвійні спіралі є правозакручена - при русі вгору уздовж осі спіралі ланцюга повертаються вправо. В-форме (В-ДНК). Більшість молекул ДНК в розчині перебуває в правозакручена - В-форме (В-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено (рис.3.5 ). Однак зустрічаються також левозакрученние форми (Z-ДНК). Яка кількість цієї ДНК присутня в клітинах і яке її біологічне значення, поки не встановлено (рис.3.5).

Пространственные модели левозакрученной Z-формы (I) и правозакрученной В-формы (II) ДНК Рис.5. Просторові моделі левозакрученной Z-форми (I) і правозакручена У-форми (II) ДНК

полинуклеотидную цепь, вторичную структуру - две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру - трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками. Таким чином, у структурній організації молекули ДНК можна виділити первинну структуру - полінуклеотидний ланцюг, вторинну структуру - дві комплементарні один одному і антипаралельні полінуклеотидні ланцюга, з'єднані водневими зв'язками, і третинну структуру - тривимірну спіраль з наведеними вище просторовими характеристиками.

4.1.2 Спосіб запису генетичної інформації в молекулі ДНК. Біологічний код і його властивості

Первинно все різноманіття життя обумовлюється різноманітністю білкових молекул, що виконують в клітинах різні біологічні функції. Структура білків визначається набором і порядком розташування амінокислот в їх пептидних ланцюгах. Саме ця послідовність амінокислот у пептидах зашифрована в молекулах ДНК за допомогою біологічної (генетичного) коду. Відносна примітивність структури ДНК, що представляє чергування лише чотирьох різних нуклеотидів, довгий час заважала дослідникам розглядати це з'єднання як матеріальний субстрат спадковості і мінливості, у якому повинна бути зашифрована надзвичайно різноманітна інформація.

г.Г. У 1954 Г.Г. Гамовим було висловлено припущення, що кодування інформації в молекулах ДНК має здійснюватися поєднаннями декількох нуклеотидів. различных аминокислот. У різноманітті білків, існуючих у природі, було виявлено близько 20 різних амінокислот. Для шифровки такого їх числа достатню кількість сполучень нуклеотидів може забезпечити лише триплетних код, в якому кожна амінокислота шифрується трьома стоять поруч нуклеотидами. триплета. У цьому випадку з чотирьох нуклеотидів утворюється 4 ³ = 64 триплетів. различных аминокислот. Код, що складається з двох нуклеотидів, дав би можливість зашифрувати тільки 4 ² = 16 різних амінокислот.

Повна расшіфовка генетичного коду проведена в 60-х рр.. нашого століття. возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или "нонсенс-триплетов". З 64 можливих триплетів ДНК 61 кодує різні амінокислоти, решта 3 отримали назву безглуздих, або "нонсенс-триплетів". Вони не шифрують амінокислот і виконують функцію знаків пунктуації при зчитуванні спадкової інформації. До них відносяться АТТ, АЦТ, АТЦ.

Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Звертає на себе увагу явна надмірність коду, що виявляється в тому, що багато амінокислот шифруються кількома триплетами (Рис.6). Це властивість триплетного коду, назване вирожденність, має дуже важливе значення, так як виникнення у структурі молекули ДНК змін за типом заміни одного нуклеотиду в полинуклеотидной ланцюга може не змінити сенсу триплетів. Виник таким чином нове поєднання з трьох нуклеотидів кодує ту ж саму амінокислоту.

У процесі вивчення властивостей генетичного коду була виявлена ​​його специфічність. Кожен триплет здатний кодувати тільки одну певну амінокислоту. Цікавим фактом є повна відповідність коду в різних видів живих організмів. Така універсальність генетичного коду свідчить про єдність походження всього різноманіття живих форм на Землі в процесі біологічної еволюції. Незначні відмінності генетичного коду виявлені в ДНК мітохондрій деяких видів. Це не суперечить в цілому положенню про універсальність коду, але свідчить на користь певної дивергентность в його еволюції на ранніх етапах існування життя. Розшифровка коду в ДНК мітохондрій різних видів показала, що у всіх випадках у мітохондріальних ДНК зазначається загальна особливість: триплет АЦТ читається як АЦЦ, і тому з нонсенсом-триплетів перетворюється на шифр амінокислоти триптофану.

Аминокислоты и кодирующие их триплеты ДНК Рис.6. Амінокислоти і кодують їх триплети ДНК

Інші особливості є специфічними для різних видів організмів. У дріжджів триплет ДАТ і, можливо, все сімейство ГА кодує замість амінокислоти лейцину треонін. У ссавців триплет ТАГ має те ж значення, що і ТАЦ, і кодує амінокислоту метіонін замість ізолейцин. Триплети ТЦГ і ​​ТЦЦ в ДНК мітохондрій деяких видів не кодують амінокислот, будучи нонсенс-триплетами. Поряд з триплетного, вироджені, специфічністю і універсальністю найважливішими характеристиками генетичного коду є його безперервність і неперекриваемость кодонів при зчитуванні. Це означає, що послідовність нуклеотидів зчитується триплет за кодоном без пропусків, при цьому сусідні триплети не перекривають один одного, тобто Доказательством неперекрываемости генетического кода является замена только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. кожен окремий нуклеотид входить до складу лише одного триплетів при заданій рамці зчитування (рис.3.7). Доказом неперекриваемості генетичного коду є заміна лише однієї амінокислоти в пептидів при заміні одного нуклеотиду в ДНК. аминокислот в пептидной цепи. У разі включення нуклеотиду в кілька перекриваються триплетів його заміна вабила б за собою заміну 2-3 амінокислот у пептидного ланцюга.

Непрерывность и непререкаемость генетического кода при считывании наследственной информации. Рис.7. Безперервність і незаперечність генетичного коду при зчитуванні спадкової інформації.

Цифрами позначені нуклеотиди

4.2 Властивості ДНК як речовини спадковості і мінливості

4.2.1 Самовідтворення спадкового матеріалу. Реплікація ДНК

репликация. Одним з основних властивостей матеріалу спадковості є його здатність до самокопірованія - реплікація. Це властивість забезпечується особливостями хімічної організації молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. У процесі реплікації на кожній полинуклеотидной ланцюга материнської молекули ДНК синтезується комплементарна їй ланцюг. У результаті з однієї подвійної спіралі ДНК утворюються дві ідентичні подвійні спіралі. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить одну материнську і одну знову синтезовану ланцюг, називають напівконсервативним.

Для здійснення реплікації ланцюга материнської ДНК повинні бути відокремлені один від одного, щоб стати матрицями, на яких будуть синтезуватися комплементарні ланцюга дочірніх молекул.

(от англ. origin - начало). Ініціація реплікації здійснюється в особливих ділянках ДНК, що позначаються ori (від англ. Origin - початок). нуклеотидных пар, узнаваемую специфическими белками. Вони включають послідовність, що складається з 300 нуклеотидних пар, впізнавану специфічними білками. репликационные вилки, которые движутся в противоположных от локуса ori направлениях. Подвійна спіраль ДНК в цих локусах поділяється на два ланцюги, при цьому, як правило, по обидві сторони від точки початку реплікації утворюються області розбіжності полінуклеотидних ланцюгів - реплікаційний вилки, які рухаються в протилежних від локусу ori напрямках. А). Між реплікаційний виделками утворюється структура, звана реплікаційний оком, де на двох ланцюгах материнської ДНК утворюються нові полінуклеотидні ланцюга (рис 8, А).

За допомогою ферменту геліказа, що розриває водневі зв'язки, подвійна спіраль ДНК розплітається в точках початку реплікації. Утворені при цьому одинарні ланцюга ДНК зв'язуються спеціальними дестабілізуючими білками, які розтягують остови ланцюгів, роблячи їх азотисті основи доступними для зв'язування з комплементарними нуклеотидами, що знаходяться в нуклеоплазмі. Б). На кожній з ланцюгів, що утворюються в області репликационной вилки, за участю ферменту ДНК-полімерази здійснюється синтез комплементарних ланцюгів (рис 8, Б).

Область начала репликации. Рис.8. Область початку реплікації. Репликационная вилка

А. Освіта репликационной очка.

В. Область репликационной вилки в молекулі ДНК

У процесі синтезу реплікаційний вилки рухаються уздовж материнської спіралі в протилежних напрямках, захоплюючи все нові зони.

Поділ спірально закручених ланцюгів батьківської ДНК ферментом геліказа викликає поява супервитки перед репликационной виделкою. пар нуклеотидов, образующих один виток спирали, родительская ДНК должна совершить один полный оборот вокруг своей оси. Це пояснюється тим, що при розбіжності кожних 10 пар нуклеотидів, створюючих один виток спіралі, батьківська ДНК повинна зробити один повний оберт навколо своєї осі. Отже, для просування репликационной вилки вся молекула ДНК перед нею мала б швидко обертатися, що вимагало б великої витрати енергії. Насправді це не спостерігається завдяки особливому класу білків, званих ДНК-топоізомеразами. Топоізомераза розриває один з ланцюжків ДНК, що дає їй можливість обертатися навколо другої ланцюга. Це послаблює напругу, що нагромадилася в подвійній спіралі ДНК (рис.9).

До вивільняються водневим зв'язків нуклеотидних послідовностей розділених батьківських ланцюгів приєднуються вільні нуклеотиди з нуклеоплазми, де вони присутні у вигляді дезоксирибонуклеозидгрифосфатов: дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Комплементарний нуклеозидтрифосфат утворює водневі зв'язки з певною підставою материнської ланцюга ДНК. Потім за участю ферменту ДНК-полімерази він зв'язується фосфодіефірних зв'язком з попереднім нуклеотидом знову синтезується ланцюга, віддаючи при цьому неорганічний пірофосфат (рис.1 0).

положении предшествующего нуклеотида, цепь постепенно удлиняется на ее 3'-конце. Оскільки ДНК-полімераза приєднує черговий нуклеотид до ОН-групі в 3'-положенні попереднього нуклеотиду, ланцюг поступово подовжується на її 3'-кінці.

Особливістю ДНК-полімерази є її нездатність почати синтез нової полинуклеотидной ланцюга шляхом простого скріплення двох нуклеозидтрифосфатів: необхідний 3'-ОН-кінець будь-якої полинуклеотидной ланцюга, спареної з матричною ланцюгом ДНК, до якої ДНК-полімераза може лише додавати нові нуклеотиди. Таку полінук-леотідную ланцюг називають затравкою або праймером.

Указанная особенность ДНК-полимеразы означает, что матрицей при репликации может служить лишь цепь ДНК, несущая спаренную с ней затравку, которая имеет свободный 3'-ОН-конец. Роль затравки для синтезу полінуклеотидних ланцюгів ДНК під час реплікації виконують короткі послідовності РНК, утворені за участю ферменту РНК-праймазою (рис.1 1). Вказана особливість ДНК-полімерази означає, що матрицею при реплікації може служити лише ланцюг ДНК, що несе спарену з нею приманку, яка має вільний 3'-ОН-кінець.

Разрыв одной из цепей ДНК с помощью фермента ДНК-топоизомеразы: I - ДНК-топоизомераза образует ковалентаую связь с одной из фосфатных групп ДНК (верхняя цепь); II - в результате разрыва фосфодиэфирной связи в одной полинуклеотидной цепи вокруг соответствующей ей связи другой цепи осуществляется вращение, которое снимает напряжение, вызванное расхождением двух цепей ДНК в области репликационной вилки; III - после снятия напряжения в спирали ДНК происходит спонтанное отделение ДНК-топоизомеразы и восстановление фосфодиэфирной связи в цепи ДНК Рис.9. Розрив однієї з ланцюгів ДНК за допомогою ферменту ДНК-топоізомерази: I - ДНК-топоізомераза утворює ковалентаую зв'язок з однією з фосфатних груп ДНК (верхня ланцюг); II - в результаті розриву фосфодіефірних зв'язку в одній полинуклеотидной ланцюга навколо відповідної їй зв'язку другий ланцюга здійснюється обертання, яке знімає напругу, викликану розбіжністю двох ланцюгів ДНК в області репликационной вилки; III - після зняття напруги у спіралі ДНК відбувається спонтанне відділення ДНК-топоізомерази і відновлення фосфодіефірних зв'язку в ланцюгу ДНК

к 3' - концу при антипараллельном соединении двух цепей ДНК означает, что процесс репликации должен протекать на них по-разному. Здатність ДНК-полімерази здійснювати збірку полінуклеотидів у напрямку від 5 '- до 3' - кінця при антипараллельной з'єднанні двох ланцюгів ДНК означає, що процес реплікації повинен протікати на них по-різному. сборка новой цепи происходит непрерывно от 5' - к 3' -концу и она постепенно удлиняется на 3' -конце, то другая цепь, синтезируемая на матрице (5' → 3' ), должна была бы расти от 3' - к 5'-концу. Дійсно, якщо на одній з матриць (3 '→ 5') складання нового ланцюга відбувається безперервно від 5 "- до 3 '-кінця і вона поступово подовжується на 3'-кінці, то інший ланцюг, синтезируемая на матриці (5 '→ 3 '), повинна була б зростати від 3' - до 5 "-кінця. Це суперечить напрямку дії ферменту ДНК-полімерази.

Присоединение очередного нуклеотида к дочерней цепи ДНК, синтезируемой при участии ДНК-полимеразы: ФФ - пирофосфат Рис.1 0. Приєднання чергового нуклеотиду до дочірньої ланцюга ДНК, що синтезується за участю ДНК-полімерази: ФФ - пірофосфат

к 3' -концу (по типу шитья "назад иголкой"). В даний час встановлено, що синтез другий ланцюга ДНК здійснюється короткими фрагментами (фрагменти Окадзакі) також в напрямку від 5 '- до 3'-кінця (за типом шиття "назад голкою"). до 2000 нуклеотидов, у эукариот они значительно короче (от 100 до 200 нуклеотидов). У прокаріотів фрагменти Окадзакі містять від 1000 до 2000 нуклеотидів, у еукаріотів вони значно коротше (від 100 до 200 нуклеотидів). нуклеотидов. Синтезу кожного такого фрагмента передує утворення РНК-затравки довжиною близько 10 нуклеотидів. А). Новоутворений фрагмент за допомогою ферменту ДНК-лігази з'єднується з попереднім фрагментом після видалення його РНК-затравки (рис.1 2, А).

У зв'язку з зазначеними особливостями репликационная вилка є асиметричною. З двох синтезованих дочірніх ланцюгів одна будується безперервно, її синтез йде швидше і цей ланцюг називають лідируючої. Синтез іншого кола йде повільніше, тому що вона збирається з окремих фрагментів, що вимагають освіти, а потім видалення РНК-затравки. Тому такий ланцюг називають запізнілої (відстаючої). в целом эта цепь растет в направлении 3' → 5' (рис.3.1 2, А). Хоча окремі фрагменти утворюються в напрямку 5 '→ 3', в цілому цей ланцюг зростає в напрямку 3 '→ 5' (рис.3.1 2, А). как правило начинаются две репликационные вилки, идущие в противоположных направлениях, синтез лидирующих цепей в них идет на разных цепях материнской ДНК (рис 12, Б). З причини того, що від локусу ori як правило починаються дві реплікаційний вилки, що йдуть в протилежних напрямках, синтез лідируючих ланцюгів в них йде на різних колах материнської ДНК (рис 12, Б). Кінцевим результатом процесу реплікації є утворення двох молекул ДНК, нуклеотидна послідовність яких ідентична такій в материнській подвійної спіралі ДНК.

Схема реакции синтеза короткой РНК-затравки, катализируемой РНК-праймазой Рис.1 1. Схема реакції синтезу короткої РНК-затравки, що каталізується РНК-праймазою

Розглянута послідовність подій, що відбуваються в ході реплікативного синтезу, передбачає участь цілої системи ферментів: геліказа, топоізомерази, дестабілізуючих білків, ДНК-полімерази та інших, спільно діючих в області репликационной вилки (рис 13).

нуклеотидов/с) на порядок ниже, чем у прокариот (1000 нуклеотидов/с). Реплікація ДНК у про-і еукаріотів в основних рисах протікає схоже, однак, швидкість синтезу у еукаріот (близько 100 нуклеотидів / с) на порядок нижче, ніж у прокаріотів (1000 нуклеотидів / с). что затрудняет ее деспирализацию, необходимую для осуществления репликативного синтеза. Причиною цього може бути утворення ДНК еукаріотів досить міцних з'єднань з білками, що ускладнює її деспіралізаціі, необхідну для здійснення реплікативного синтезу.

репликон. Фрагмент ДНК від точки початку реплікації до точки її закінчення утворює одиницю реплікації - реплікону. ), репликация продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплицирован. Одного разу почавшись в точці початку (локус on), реплікація продовжується до тих пір, поки весь реплікону не буде дуплицировать. и представляют собой целиком отдельные репликоны. Кільцеві молекули ДНК прокаріотичних клітин мають один локус on і являють собою цілком окремі реплікону. Еукаріотичні хромосоми містять велику кількість реплікону. У зв'язку з цим подвоєння молекули ДНК, розташованої уздовж еукаріотичної хромосоми, починається в декількох точках. У різних реплікону подвоєння може йти в різний час або одночасно.

Рис. Синтез двух дочерних цепей ДНК на разных цепях материнской молекулы 1 2. Синтез двох дочірніх ланцюгів ДНК на різних колах материнської молекули

лидирующая цепь, на нижней материнской цепи дочерняя цепь собирается из фрагментов Оказаки - отстающая цепь. А. У зв'язку з антипаралельними ланцюгів ДНК синтез дочірніх ланцюгів йде по-різному, на верхній материнської ланцюга дочірня мета синтезується безперервно - лідируюча ланцюг, на нижній материнської ланцюга дочірня ланцюг збирається з фрагментів Окадзакі - відстала ланцюг.

Б. Синтез лідируючих ланцюгів в різноспрямованих вилках відбувається на різних колах материнської ДНК

4.2.2 Механізми збереження нуклеогідной послідовності ДНК. Хімічна стабільність. Реплікація. Репарація

Для підтримки головних характеристик клітини або організму протягом їхнього життя, а також у низці поколінь спадковий матеріал повинен відрізнятися стійкістю до зовнішніх впливів або повинні існувати механізми корекції виникаючих в ньому змін. У живій природі використовуються обидва фактори. Третім фактором є точність копіювання нуклеотидних послідовностей материнської ДНК в процесі її реплікації.

Белки, участвующие в процессе репликации ДНК Рис.1 3. Білки, що беруть участь в процесі реплікації ДНК

ДНК-геліказа розплітає подвійну спіраль ДНК, розділяючи її полінуклеотидні ланцюга; дестабілізуючі білки випрямляють ділянку ланцюга ДНК; ДНК-топоізомераза розриває фосфодіефірних зв'язок в одній з полінуглеотідних ланцюгів ДНК, знімаючи напругу, що викликається расплетенісм спіралі і розбіжністю ланцюгів в репликационной вилці; РНК-праймазою синтезує РНК-затравки для дочірньої ланцюга і для кожного фрагмента Окадзакі; ДНК-полімераза здійснює безперервний синтез лідируючої ланцюга і синтез фрагментів Окадзакі відстає ланцюга; ДНК-лігаза зшиває фрагменти Окадзакі після видалення РНК-затравки

За реакційної здатності молекули ДНК відносяться до категорії хімічно інертних речовин. Відомо, що роль речовини спадковості може виконувати не тільки ДНК, але і РНК (деякі віруси). Вважають, що вибір на користь ДНК зумовлений її більш низькою порівняно з РНК реакційною здатністю.

Розглянутий вище механізм реплікації відрізняється надзвичайно високою точністю відтворення структури ДНК. 10 ^-6 комплементарных пар оснований. При подвоєнні ДНК помилки виникають в середньому з частотою 1 · 10 ^-6 комплементарних пар основ.

У підтримці високої точності реплікації важлива роль належить передусім ферменту ДНК-полімеразі. Частота включения неправильных нуклеотидов на этой стадии составляет 1· 10 ^-5 пар оснований. Цей фермент здійснює відбір необхідних нуклеотидів з числа наявних у ядерному соку нуклеозидтрифосфатів (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), точне приєднання їх до матричної ланцюга ДНК і включення в зростаючу дочірню ланцюг. Частота включення неправильних нуклеотидів на цій стадії становить 1 · 10 ^-5 пар основ.

Такі помилки в роботі ДНК-полімерази пов'язані з виникненням змінених форм азотистих основ, що утворюють "незаконні" пари з підставами материнської ланцюга. Наприклад, змінена форма цитозину замість гуаніну зв'язується водневими зв'язками з аденіном. У результаті в зростаючу ланцюг ДНК включається помилковий нуклеотид. Швидкий перехід зміненої форми такої підстави у звичайну порушує його зв'язування з матрицею, з'являється неспарений 3'-ОН-кінець зростання ланцюга ДНК. редактирующей эндонуклеазой). У цій ситуації включається механізм самокорекції, здійснюваний ДНК-полімеразою (або тісно пов'язаних з нею ферментом - редагую ендонуклеаз). Следствием самокоррекции является снижение частоты ошибок в 10 раз (с 10 ^-5 до 10 ^-6 ). Самокорекція полягає в відщепленні помилково включеного в ланцюг ДНК нуклеотиду, не спареного з матрицею (рис.1 4). Наслідком самокорекції є зниження частоти помилок в 10 разів (з 10 ^-5 до 10 ^-6).

Незважаючи на ефективність самокорекції, під час реплікації після подвоєння ДНК в ній виявляються помилки. Особливо часто це спостерігається при порушенні концентрації чотирьох нуклеозидтрифосфатів в навколишньому субстраті. аденина и гуанина (апуринизацией) - или дезаминированием цитозина, который превращается в урацил. Значна частина змін виникає також у молекулах ДНК в результаті спонтанно процесів, що відбуваються, пов'язаних з втратою пуринових підстав - аденіну та гуаніну (апурінізаціей) - або дезамінуванням цитозину, який перетворюється на урацил. на 1 геном/сут. Частота останніх змін досягає 100 на 1 геном / сут.

Вміщені в ДНК підстави можуть змінюватися під впливом реакційноздатних сполук, що порушують їх нормальний спаровування, а також під дією ультрафіолетового випромінювання, яке може викликати утворення ковалентних зв'язків між двома сусідніми залишками тиміну в ДНК (димери тиміну). Названі зміни в черговому циклі реплікації повинні призвести або до випадання пар основ у дочірньої ДНК, або до заміни одних пар іншими. Зазначені зміни справді супроводжують кожен цикл реплікації ДНК, проте їх частота значно менше, ніж повинна була б бути. Це пояснюється тим, що більшість змін такого роду усувається завдяки дії механізму репарації (молекулярного відновлення) вихідної нуклеотидної послідовності ДНК.

Механізм репарації заснований на наявності в молекулі ДНК двох комплементарних ланцюгів. Спотворення послідовності нуклеотидів в одній з них виявляється специфічними ферментами. Потім відповідний ділянку віддаляється і заміщається новим, синтезованим на другий комплементарного ланцюжка ДНК. Таку репарацію називають ексцизійної, тобто Она осуществляется до очередного цикла репликации, поэтому ее называют также дорепликативной. з "вирізанням" (рис.1 5). Вона здійснюється до чергового циклу реплікації, тому її називають також дореплікатівной.

Схема процесса коррекции при синтезе ДНК: Рис.1 4. Схема процесу корекції при синтезі ДНК:

включение в цепь ДНК нуклеотида с измененной (таутомерной) формой цитоэина, который "незаконно" спаривается с аденином; II - быстрый переход цитозина в обычную форму нарушает его спаривание с аденином; неспаренный 3'-ОН-конец синтезируемой цепи препятствует дальнейшему ее удлинению под действием ДНК-полимеразы; III - ДНК-полимераза удаляет незаконный нуклеотид, в результате чего вновь появляется спаренный с матрицей 3 '- ОН-конец; IV - ДНК-полимераза продолжает наращивание цепи на 3'- ОН-конце. I-включення в ланцюг ДНК нуклеотиду зі зміненою (тавтомерне) формою цітоеіна, який "незаконно" злучається з аденіном; II - швидкий перехід цитозину в звичайну форму порушує його спаровування з аденіном; неспарений 3'-ОН-кінець синтезується ланцюга перешкоджає подальшому її подовженню під дією ДНК-полімерази; III - ДНК-полімераза видаляє незаконний нуклеотид, в результаті чого знову з'являється спарений з матрицею 3 '- ОН-кінець; IV - ДНК-полімераза продовжує нарощування ланцюга на 3'-ОН-кінці.

Відновлення вихідної структури ДНК вимагає участі ряду ферментів. Важливим моментом у запуску механізму репарації є виявлення помилки в структурі ДНК. Нерідко такі помилки виникають у знову синтезованої ланцюга в процесі реплікації. Ферменти репарації повинні виявити саме цей ланцюг. У багатьох видів живих організмів знову синтезована ланцюг ДНК відрізняється від материнської ступенем метилювання її азотистих основ, яке відстає від синтезу. Репарації при цьому піддається Неметиловані ланцюг. Об'єктом впізнавання ферментами репарації можуть також служити розриви в ланцюзі ДНК. У вищих організмів, де синтез ДНК відбувається не безперервно, а окремими реплікону, знову синтезируемая ланцюг ДНК має розриви, що робить можливим її впізнавання. Відновлення структури ДНК при втраті пуринових підстав однією з її ланцюгів передбачає виявлення дефекту за допомогою ферменту ендонуклеази, яка розриває фосфоефірную зв'язок в місці пошкодження ланцюга. Потім змінений ділянка з декількома примикають до нього нуклеотидами видаляється ферментом екзонуклеазами, а на його місці відповідно до порядку підстав комплементарного ланцюжка утворюється правильна нуклеотидна послідовність (рис.1 5).

Схема эксцизионной, дорепликативной репарации ДНК. Рис.1 5. Схема ексцизійної, дореплікатівной репарації ДНК.

Они специфически узнают повреждения, обусловленные дезаминированием, алкилированием и другими структурными преобразованиями оснований. При зміні однієї з підстав в ланцюзі ДНК у відновленні вихідної структури приймають участь ферменти ДНК-глікозілази числом близько 20. Вони специфічно дізнаються пошкодження, зумовлені дезамінуванням, алкилірованієм та іншими структурними перетвореннями підстав. Такі модифіковані підстави видаляються. Виникають ділянки, позбавлені підстав, які репаруючу, як при втраті пуринів. пара Ц - Г может заменяться парой Т - А и т.п. . Якщо відновлення нормальної структури не здійснюється, наприклад у випадку дезамінування азотистих основ, відбувається заміна одних пар комплементарних підстав іншими - пара Ц - Г може замінюватись парою Т - А і т.п..

Т) требует участия ферментов, узнающих не отдельные измененные основания, а более протяженные повреждения структуры ДНК. Освіта в полінуклеотидних ланцюгах під дією УФ-променів тимінових димерів (Т - Т) вимагає участі ферментів, що дізналися не окремі змінені підстави, а більш протяжні пошкодження структури ДНК. Репаративний процес в цьому випадку також пов'язані з видаленням ділянки, що несе димер, і відновленням нормальної послідовності нуклеотидів шляхом синтезу на комплементарного ланцюжка ДНК.

У тому випадку, коли система ексцизійної репарації не виправляє зміни, що виник у одного ланцюга ДНК, в ході реплікації відбувається фіксація цієї зміни і воно стає надбанням обох ланцюгів ДНК. Це призводить до заміни однієї пари комплементарних нуклеотидів на іншу або до появи розривів (проломів) у знову синтезованої ланцюга проти змінених ділянок. Відновлення нормальної структури ДНК при цьому може статися і після реплікації.

Постреплікатівная репарація здійснюється шляхом рекомбінації (обміну фрагментами) між двома новоствореними подвійними спіралями ДНК. Т), когда они не устраняются самопроизвольно под действием видимого света (световая репарация) или в ходе дорепликативной эксцизионной репарации. Прикладом такої постреплікатівной репарації може служити відновлення нормальної структури ДНК при виникненні тимінових димерів (Т - Т), коли вони не усуваються мимовільно під дією видимого світла (світлова репарація) або в ході дореплікатівной ексцизійної репарації.

Ковалентні зв'язки, що виникають між стоять поруч залишками тиміну, роблять їх не здатними до зв'язування з комплементарними нуклеотидами. У результаті в знову синтезується ланцюга ДНК з'являються розриви (проломи), впізнавані ферментами репарації. Відновлення цілісності нової полинуклеотидной ланцюга однієї з дочірніх ДНК здійснюється завдяки рекомбінації з відповідною їй нормальної материнської ланцюгом іншої дочірньої ДНК. Проявлением такой пострепликативной репарации, осуществляемой путем рекомбинации между цепями двух дочерних молекул ДНК, можно считать нередко наблюдаемый обмен материалом между сестринскими хроматидами (рис.1 7). Утворився в материнській ланцюга прогалина заповнюється потім шляхом синтезу на комплементарної їй полинуклеотидной ланцюга (мал.1 6). Проявом такої постреплікатівной репарації, здійснюваної шляхом рекомбінації між ланцюгами двох дочірніх молекул ДНК, можна вважати нерідко спостерігається обмін матеріалом між сестринськими хроматидами (рис.1 7 ).

Схема пострепликативной репарации ДНК: Рис.1 6. Схема постреплікатівной репарації ДНК:

возникновение тиминового димера в одной из цепей ДНК; I - виникнення тимінових димеру в одному з ланцюжків ДНК;

- образование "бреши" во вновь синтезируемой цепи против измененного участка материнской молекулы после репликации (стрелкой показано последующее заполнение "бреши" участком из соответствующей цепи второй дочерней молекулы ДНК); II - освіта "дірки" у новоствореному синтезується ланцюга проти зміненого ділянки материнської молекули після реплікації (стрілкою показано подальше заповнення "дірки" ділянкою з відповідної ланцюжку другої дочірньої молекули ДНК);

восстановление целостности дочерней цепи верхней молекулы за счет рекомбинации и в нижней молекуле за счет синтеза на комплементарной цепи III - відновлення цілісності дочірньої ланцюга верхній молекули за рахунок рекомбінації і в нижній молекулі за рахунок синтезу на комплементарного ланцюжка

Межхроматидные обмены (указаны стрелками) Рис.1 7. Межхроматідние обміни (вказані стрілками)

У ході дореплікатівной і постреплікатівной репарації відновлюється велика частина пошкоджень структури ДНК. Эти ферменты заполняют бреши, восстанавливая целостность синтезируемых полинуклеотидных цепей без точного соблюдения принципа комплементарности. Однак, якщо в спадковому матеріалі клітини виникає занадто багато пошкоджень і частина з них не ліквідується, включається система індукованих (спонукує) ферментів репарації (SOS-система). Ці ферменти заповнюють прогалини, відновлюючи цілісність синтезованих полінуклеотидних ланцюгів без точного дотримання принципу комплементарності. Ось чому іноді самі процеси репарації можуть служити джерелом стійких змін в структурі ДНК (мутацій). Названа реакція також відноситься до SOS-системі.

Якщо в клітці, незважаючи на здійснювану репарацію, кількість пошкоджень структури ДНК залишається високим, в ній блокуються процеси реплікації ДНК. Така клітина не ділиться, а значить, не передає виникли змін потомству.

Викликається ушкодженнями ДНК зупинка клітинного циклу в поєднанні з неможливістю молекулярної репарації зміненого спадкового матеріалу може з участю білка, синтез якого контролюється геном р53, приводити до активації процесу самоліквідації (апотпоз) дефектної клітки з метою усунення її з організму.

Таким чином, великий набір різних ферментів репарації здійснює безперервний "огляд" ДНК, видаляючи з неї пошкоджені ділянки і сприяючи підтримці стабільності спадкового матеріалу. 10 ^-9 пар измененных нуклеотидов на геном. Спільна дія ферментів реплікації (ДНК-полімераза і редагуються ендонуклеаза) і ферментів репарації забезпечує досить низьку частоту помилок у молекулах ДНК, яка підтримується на рівні 1 · 10 ^-9 пар змінених нуклеотидів на геном. 10 ⁹ нуклеотидных пар это означает появление около 3 ошибок на реплицирующийся геном. При розмірі генома людини 3 · ^{9 жовтня} нуклеотидних пар це означає появу близько 3 помилок на реплицируются геном. Разом з тим навіть цей рівень достатній для утворення за час існування життя на Землі значного генетичного різноманіття у вигляді генних мутацій.

4.2.3 Зміни нуклеотидних послідовностей ДНК.

Генні мутації.

Нескоригований зміни хімічної структури генів, що відтворюються в послідовних циклах реплікації і проявляються у потомства у вигляді нових варіантів ознак, називають генними мутаціями.

Зміни структури ДНК, що утворює ген, можна розділити на три групи. Мутації першої групи полягають в заміні одних підстав іншими. спонтанно возникающих генных изменений. Вони складають близько 20% спонтанних генних змін. Друга група мутацій зумовлена ​​зсувом рамки зчитування, які відбуваються при зміні кількості нуклеотидних пар у складі гена. Нарешті, третю групу представляють мутації, пов'язані зі зміною порядку нуклеотидних послідовностей в межах гена (інверсії).

Мутації по типу заміни азотистих основ. Ці мутації відбуваються в силу ряду конкретних причин. Однією з них може бути виникає випадково або під впливом конкретних хімічних агентів зміна структури підстави, вже включеного в спіраль ДНК. Якщо така змінена форма підстави залишається не поміченою ферментами репарації, то при найближчому циклі реплікації вона може приєднувати до себе інший нуклеотид. Образующийся при этом урацил, не замеченный ферментом ДНК-гликозилазой, при репликации соединяется с аденином, который впоследствии присоединяет тимидиловый нуклеотид. Прикладом може служити дезамінування цитозину, що перетворюється в урацил спонтанно або під впливом азотистої кислоти (рис.1 8). Утворений при цьому урацил, не помічений ферменту ДНК-глікозілазой, при реплікації з'єднується з аденіном, який згодом приєднує тіміділовий нуклеотид. Г замещается в ДНК парой Т - А (рис. 19 , I). Дезаминирование метилированного цитозина превращает его в тимин (см. рис.3.1 8). Тимидиловый нуклеотид, являясь естественным компонентом ДНК, не обнаруживается ферментами репарации как изменение и при следующей репликации присоединяет адениловый нуклеотид. У результаті пара Ц - Г заміщується в ДНК парою Т - А (рис. 19, I). Дезамінування метилованого цитозину перетворює його на тимін (див. рис.3.1 8). Тіміділовий нуклеотид, будучи природним компонентом ДНК, не виявляється ферментами репарації як зміна і при наступній реплікації приєднує аденіловий нуклеотид. Г в молекуле ДНК также появляется пара Т-А (рис. 19 , II). У результаті замість пари Ц - Г у молекулі ДНК також з'являється пара Т-А (рис. 19, II).

Спонтанное дезаминирование цитозина Рис.1 8. Спонтанне дезамінування цитозину

Іншою причиною заміни підстав може бути помилкове включення в синтезируемую ланцюг ДНК нуклеотиду, що несе хімічно змінену форму підстави або його аналог. Якщо ця помилка залишається не поміченою ферментами реплікації і репарації, змінене підставу включається в процес реплікації, що нерідко призводить до заміни однієї пари на іншу. Прикладом цього може служити приєднання в ході реплікації до аденіну материнської ланцюга нуклеотиду з 5-бромурацілом (5-БО), аналогічного тіміділовому нуклеотиду. При подальшій реплікації 5-БО охочіше приєднує до себе не аденін, а гуанін. Гуанін в ході подальшого подвоєння утворює комплементарную пару з цитозином. Т заменяется в молекуле ДНК парой Г - Ц (рис. 20 ). У результаті пара А - Т замінюється в молекулі ДНК парою Г - Ц (рис. 20).

Рис. Мутации по типу замены основания (дезаминирование азотистых оснований в цепи ДНК): 19. Мутації по типу заміни підстави (дезамінування азотистих основ у ланцюзі ДНК):

- превращение цитозина в урацил, замена Ц - Г-пары на Т - А-пару; I - перетворення цитозину в урацил, заміна Ц - Г-пари на Т - А-пару;

превращение метил-цитозина в тимин, замена Ц - Г-пары на Т - А-пару II - перетворення метил-цитозину на тимін, заміна Ц - Г-пари на Т - А-пару

З наведених прикладів видно, що зміни структури молекули ДНК за типом заміни підстав виникають або до, або в процесі реплікації спочатку в одній полинуклеотидной ланцюга. Якщо такі зміни не виправляються в ході репарації, то при наступній реплікації вони стають надбанням обох ланцюгів ДНК.

Рис. Мутации по типу замены оснований (включение аналога азотистого основания при репликации ДНК) 20. Мутації по типу заміни підстав (включення аналога азотистого підстави при реплікації ДНК)

Наслідком заміни однієї пари комплементарних нуклеотидів на іншу є утворення нового триплетів у нуклеотидної послідовності ДНК, що кодує послідовність амінокислот у пептидного ланцюга. Це може і не позначитися на структурі пептиду в тому випадку, якщо новий триплет буде "синонімом" колишнього, тобто буде кодувати ту ж амінокислоту. Наприклад, амінокислота валін шифрується чотирма триплетами: ЦАА, ЦАГ, ЦАТ, цяць. Заміна третій підстави в будь-якому з цих триплетів не змінить його сенсу (вирожденність генетичного коду).

У тому випадку, коли знову виник триплет шифрує іншу амінокислоту, змінюються структура пептидного ланцюга і властивості відповідного білка. Залежно від характеру і місця трапилася заміни специфічні властивості білка змінюються в різному ступені. Відомі випадки, коли заміна лише однієї амінокислоти в пептиди істотно впливає на властивості білка, що проявляється у зміні більш складних ознак. В таком гемоглобине - ( HbS ) (в отличие от нормального Н b А) - в р-глобиновых цепях в шестом положении глутаминовая кислота заменена валином. Прикладом може служити зміна властивостей гемоглобіну людини при серповидно-клітинної анемії (рис.2 1). У такому гемоглобіні - (HbS) (на відміну від нормального Н b А) - в р-глобинового ланцюгах у шостому положенні глутамінова кислота замінена валіном. Це є наслідком заміни однієї з підстав в триплеті, шифрувальної глутаминовую кислоту (ЦТТ або ЦТЦ). У результаті з'являється триплет, шифрувальний валін (ЦАТ або цяць). у человека развиваются признаки серповидно-клеточной анемии. У даному випадку заміна однієї амінокислоти у пептиди істотно змінює властивості глобіну, що входить до складу гемоглобіну (знижується його здатність зв'язуватися з 02), у людини розвиваються ознаки серповидно-клітинної анемії.

У деяких випадках заміна однієї підстави на інше може призвести до появи одного з нонсенсом-триплетів (АТТ, АТЦ, АЦТ), не шифрувального ніякої амінокислоти. Наслідком такої заміни буде переривання синтезу пептидного ланцюга. случаев к образованию триплетов-синонимов; в 2-3 - бессмысленных триплетов, в 70 - 75% - к возникновению истинных генных мутаций. Підраховано, що заміни нуклеотидів в одному триплеті призводять у 25% випадків до утворення триплетів-синонімів; в 2-3 - безглуздих триплетів, в 70 - 75% - до виникнення істинних генних мутацій.

Таким чином, мутації за типом заміни підстав можуть виникати як в результаті спонтанних змін структури підстави в одному з ланцюжків вже існуючої подвійної спіралі ДНК, так і в ході реплікації в знову синтезується ланцюга. У тому випадку, якщо ці зміни не виправляються в процесі репарації (або, навпаки, виникають в ході репарації), вони фіксуються в обох ланцюгах і далі будуть відтворюватися в наступних циклах реплікації. Отже, важливим джерелом виникнення таких мутацій є порушення процесів реплікації і репарації.

Мутації зі зсувом рамки зчитування. Цей тип мутацій становить значну частку спонтанних мутацій. Вони відбуваються внаслідок випадання або вставки в нуклеотидну послідовність ДНК одного або декількох пар комплементарних нуклеотидів. Велика частина вивчених мутацій, що викликають зсув рамки, виявлена ​​в послідовностях, що складаються з однакових нуклеотидів.

Зміни числа нуклеотидних пар в ланцюзі ДНК сприяють впливу на генетичний матеріал деяких хімічних речовин, наприклад акридинового сполук. Деформуючи структуру подвійної спіралі ДНК, вони призводять до вставки додаткових підстав чи їх випадання при реплікації. Прикладом служать мутації, отримані у фага Т4 при впливі профлавіна. Вони складаються у включенні або видаленні всього однієї нуклеотидної пари. Важливою причиною зміни кількості нуклеотидних пар в гені за типом великих поділок (випадінь) може бути рентгенівське опромінення. нуклеотидных пар. У плодової мухи, наприклад, відома мутація гена, контролюючого забарвлення ока, яка викликається опроміненням і полягає в поділі близько 100 нуклеотидних пар.

Плейотропный эффект замены одной аминокислоты в β- цепи гемоглобина человека, приводящей к развитию серповидно-клеточной анемии Рис.2 1. Плейотропний ефект заміни однієї амінокислоти в β-ланцюга гемоглобіну людини, що приводить до розвитку серповидно-клітинної анемії

Велика кількість мутацій за типом вставок відбувається внаслідок включення в послідовність нуклеотидів рухомих генетичних елементів - транспозонов. С определенной вероятностью вставки и делении могут возникать в результате ошибок рекомбинации при неравноценном внутригенном кроссинговере (рис.2 2). Транспозони - це досить протяжні нуклеотидні послідовності, вбудовані в геноми еу - і прокаріотичних клітин, здатні спонтанно змінювати своє положення. З певною вірогідністю вставки і розподілі можуть виникати в результаті помилок рекомбінації при нерівноцінно внутрігенном кросинговері (рис.2 2).

Мутации со сдвигом рамки считывания (неравноценный обмен при внутригенном кроссинговере): Рис.2 2. Мутації зі зсувом рамки зчитування (нерівноцінний обмін при внутрігенном кросинговері):

разрывы аллельпых генов в разных участках и обмен фрагментами между ними; I - розриви аллельпих генів в різних ділянках і обмін фрагментами між ними;

выпадение 3-й и 4-й пар нуклеотидов, сдвиг рамки считывания; II - випадання 3-й і 4-й пар нуклеотидів, зсув рамки зчитування;

удвоение 3-й и 4-й пар нуклеотидов, сдвиг рамки считывания III - подвоєння 3-й і 4-й пар нуклеотидів, зсув рамки зчитування

Следствие изменения количества нуклеотидных пар в молекуле ДНК Рис.2 3. Слідство зміни кількості нуклеотидних пар в молекулі ДНК

Зрушення рамки зчитування у результаті вставки одного нуклеотиду в кодогенную ланцюг призводить до зміни складу зашифрованого в ній пептиду

Однако, если количество вставленных или утраченных нуклеотидов кратно трем, сдвига рамки может не произойти, но это приведет к включению дополнительных аминокислот или выпадению части их из полипептидной цепи. При безперервності зчитування та неперекриваемості генетичного коду зміна кількості нуклеотидів, як правило, призводить до зрушення рамки зчитування та зміни сенсу біологічної інформації, записаної в даній послідовності ДНК (рис.2 3). Однак, якщо кількість вставлених або втрачених нуклеотидів кратно трьом, зсуву рамки може не відбутися, але це призведе до включення додаткових амінокислот або випадання частини їх з поліпептидного ланцюга. Можливим наслідком зсуву рамки є виникнення нонсенстріплетов, що веде до синтезу укорочених пептидних ланцюгів.

Мутації за типом інверсії нуклеотидних послідовностей в гені. Обычно этому предшествует образование молекулой ДНК петли, в пределах которой репликация идет в направлении, обратном правильному. Даний тип мутацій відбувається внаслідок повороту ділянки ДНК на 180 °. Звичайно цьому передує утворення молекулою ДНК петлі, в межах якої реплікація йде в напрямку, зворотному правильному.

У межах інвертованого ділянки порушується зчитування інформації, в результаті змінюється амінокислотна послідовність білка.

4.2.4 Елементарні одиниці мінливості генетичного матеріалу. Мутон. Рекон

Ген є елементарну одиницю функції спадкового матеріалу. Це означає, що фрагмент молекули ДНК, що відповідає окремому гену і визначальний завдяки що міститься в ньому біологічної інформації можливість розвитку конкретної ознаки, є далі неподільним у функціональному відношенні. Відомості про генні мутації, викладені вище, вказують на значення змін хімічної структури, які зачіпають не весь ген, а окремі його ділянки, внаслідок чого з'являються нові варіанти ознаки.

Мінімальна кількість спадкового матеріалу, здатне, змінюючись, приводити до появи варіантів ознаки, відповідає елементарної одиниці мутаційного процесу і називається Мутоном. Розглянуті вище приклади генних мутацій свідчать про те, що досить замінити одну пару комплементарних основ у гені, щоб змінилися властивості кодованого їм білка. Таким чином, мутон відповідає одній парі комплементарних нуклеотидів.

Частина генних мутацій за типом вставок і випадінь нуклеотидних пар відбувається внаслідок нерівноцінного обміну між молекулами ДНК при кросинговері, тобто при порушенні рекомбінації між ними. Це супроводжується зрушенням рамки зчитування і призводить до порушення синтезу пептидного ланцюга з заданими властивостями. Спостереження показують, що для спотворення записаної в гені біологічної інформації досить вставки або випадіння однієї пари нуклеотидів. рекон - на молекулярном уровне соответствует одной паре нуклеотидов. Зі сказаного випливає, що елементарна одиниця рекомбінації - рекон - на молекулярному рівні відповідає одну пару нуклеотидів.

Виникаючі спонтанно або під впливом різних зовнішніх впливів зміни нуклеотидних послідовностей призводять до того, що один і той же ген може існувати в декількох варіантах, що розрізняються за міститься в них біологічної інформації. Конкретну форму існування гена, що визначає можливість розвитку конкретного варіанту даної ознаки, називають алелем. локусе - определенной хромосомы, которая в норме может одновременно содержать лишь один из серии аллелей. Алелі гена розташовуються в одному і тому ж ділянці - локусі - певної хромосоми, яка в нормі може одночасно містити лише один із серії алелей. Це робить алелі альтернативними (взаємовиключаючими) варіантами існування гена.

Зміни хімічної структури можуть виникати в різних ділянках гена. Якщо вони сумісні з життям, тобто носителей данных мутаций, все они сохраняются в генофонде вида. не призводять до загибелі клітин або організмів - носіїв даних мутацій, всі вони зберігаються у генофонді виду.

Присутність у генофонді виду одночасно різних алелей гена називають множинним алелізм. обусловленные различными аллелями соответствующего гена. Прикладом цьому служать різні варіанти забарвлення очей у плодової мухи: біла, вишнева, червона, абрикосова, еозіновая, - зумовлені різними алелями відповідного гена. У людини, як і в інших представників органічного світу, множинний алелізм притаманний багатьом генам. определяют групповую принадлежность крови по системе АВ0 (I ^A , I ^B , I ⁰ ). Два аллеля имеет ген, обусловливающий резус-принадлежность. Так, три алелі гена I визначають групову приналежність крові за системою АВ0 (I ^A, I ^B, I ^0). Два алелі має ген, що обумовлює резус-приналежність. Більше ста алелів налічують гени α - і β-поліпептидів гемоглобіну.

Причиною множинного алелізм є випадкові зміни структури гена (мутації), що зберігаються в процесі природного відбору в генофонді популяції. Різноманіття алелів, рекомбінує при статевому розмноженні, визначає ступінь генотипического різноманітності серед представників даного виду, що має велике еволюційне значення, підвищуючи життєздатність популяцій у мінливих умовах їхнього існування. Крім еволюційного і екологічного значення алельному стан генів має великий вплив на функціонування генетичного матеріалу. У диплоїдних соматичних клітинах еукаріотичних організмів більшість генів представлено двома алелями, які спільно впливають на формування ознак.

4.2.5 Функціональна класифікація генних мутацій

Зміни структури гена, як правило, є несприятливими, знижуючи життєздатність клітини, організму (шкідливі мутації), і іноді призводять до їх загибелі (летальні мутації). Рідше виникають мутації істотно не відображаються на життєздатності їх носіїв, тому їх розглядають як нейтральні. Нарешті, вкрай рідко виникають алелі, які надають сприятливу дію (корисні мутації), забезпечуючи їх носіям переважне виживання. У більшості випадків знову виник алель гена виступає як рецесивна по відношенню до поширеного в природі аллелю "дикого" типу, тобто не виявляється у поєднанні з ним. Але іноді мутантна форма гена може бути домінантною, тобто придушувати прояв "дикого" алелі, який частіше зустрічається в генофонді популяції.

4.2.6 Механізми, що знижують несприятливий ефект генних мутацій

У результаті генних мутацій змінюється зміст біологічної інформації. Наслідки цього можуть бути двоякого роду. В умовах існування, що змінюються незначно, нова інформація зазвичай знижує виживання. При різкій зміні умов існування, при освоєнні нової екологічної ніші наявність різноманітної інформації корисно. У зв'язку з цим інтенсивність мутаційного процесу в природних умовах підтримується на рівні, не викликає катастрофічного зниження життєздатності виду. Важлива роль в обмеженні несприятливих наслідків мутацій належить антімутаціонним механізмам, які виникли в еволюції.

Деякі з цих механізмів розглянуті вище. Мова йде про особливості функціонування ДНК-полімерази, що відбирає необхідні нуклеотиди в процесі реплікації ДНК, а також здійснює самокоррекцию при утворенні нового ланцюга ДНК поряд з редагує ендонуклеаз. Решением этой задачи служит триплетность биологического кода, которая допускает минимальное число замен внутри триплета, ведущих к искажению информации. Детально розібрані різні механізми репарації структури ДНК, роль вирожденність генетичного коду. Рішенням цієї задачі служить триплетного біологічного коду, яка допускає мінімальне число замін всередині триплетів, що ведуть до перекручування інформації. замен третьего нуклеотида в триплетах не дает изменения их смыслового значения. Так, 64% замін третій нуклеотиду в триплетів не дає зміни їх смислового значення. приводят к искажению смысла триплета. Правда, заміни другий нуклеотиду в 100% призводять до спотворення змісту триплетів.

Фактором захисту проти несприятливих наслідків генних мутацій служить парність хромосом в диплоидном каріотипі соматичних клітин еукаріотів.

Парність алелів генів перешкоджає фенотипическому прояву мутацій, якщо вони мають рецесивний характер.

Певний внесок у зниження шкідливих наслідків генних мутацій вносить явище екстракопірованія генів, що кодують життєво важливі макромолекули. Воно полягає в наявності в генотипі кількох десятків, а іноді й сотень ідентичних копій таких генів. Прикладом можуть служити гени рРНК, тРНК, гістонових білків, без яких життєдіяльність будь-якої клітини неможлива.

При наявності екстракопій мутаційні зміни в одному або навіть декількох однакових генах не веде до катастрофічних для клітини наслідків. Копій, що залишаються незмінними, цілком достатньо, щоб забезпечити нормальне функціонування.

Істотне значення має також функціональна нерівнозначність замін амінокислот в поліпептиди. Якщо нова і яке змінюється в амінокислоти подібні за фізико-хімічними властивостями, зміни третинної структури і біологічних властивостей білка незначні.

и НЬС человека отличаются от нормального гемоглобина НЬА заменой в 6-м положении р-цепи глутаминовой кислоты соответственно на валин или лизин. Так, мутантні гемоглобіни HbS і НЬС людини відрізняються від нормального гемоглобіну НЬА заміною в 6-му положенні р-ланцюга глутамінової кислоти відповідно на валін або лізин. серповидно-клеточной анемии. Перша заміна різко змінює властивості гемоглобіну і призводить до розвитку важкого захворювання - серповидно-клітинної анемії.

При другій заміні властивості гемоглобіну змінюються в набагато меншому ступені.

это гидрофобная аминокислота. Причиною цих відмінностей є те, що глутамінова кислота та лізин виявляють подібні гідрофільні властивості, тоді як валін - це гідрофобна амінокислота.

Таким чином, перераховані механізми сприяють збереженню відібраних в ході еволюції генів і одночасно накопиченню в генофонді популяції різних їх алелів, формуючи резерв спадкової мінливості. Останній визначає високу еволюційну пластичність популяції, тобто здатність виживати в різноманітних умовах.

4.3 Використання генетичної інформації в процесах життєдіяльності

4.3.1 Роль РНК в реалізації спадкової інформації

Спадкова інформація, записана за допомогою генетичного коду, зберігається в молекулах ДНК і розмножується для того, щоб забезпечити новоутворені клітини необхідними "інструкціями" для їх нормального розвитку та функціонування. Разом з тим безпосередньої участі в життєзабезпеченні клітин ДНК не приймає. РНК. Роль посередника, функцією якого є переклад спадкової інформації, що зберігається в ДНК, в робочу форму, грають РНК - РНК.

аденин, гуанин, урацил или цитозин. На відміну від молекул ДНК РНК представлені однією полинуклеотидной ланцюгом, яка складається з чотирьох різновидів нуклеотидів, що містять цукор, рибозу, фосфат і одне з чотирьох азотистих основ - аденін, гуанін, урацил або цитозин. РНК синтезується на молекулах ДНК за допомогою ферментів РНК-полімераз з дотриманням принципу комплементарності і антипараллельно, причому аденін ДНК в РНК комплементарний урацил. Все різноманіття РНК, що діють в клітці, можна розділити на три основні види: мРНК, тРНК, рРНК.

Матрична, або інформаційна, РНК (мРНК, або іРНК). Транскрипція. Для того щоб синтезувати білки з заданими властивостями, до місця їх побудови надходить "інструкція" про порядок включення амінокислот у пептидний ланцюг. Ця інструкція укладена в нуклеотидної послідовності матричних, або інформаційних РНК (мРНК або іРНК), синтезованих на відповідних ділянках ДНК. Процес синтезу мРНК називають транскрипцією.

промотора. Синтез мРНК починається з виявлення РНК-полімеразою особливого ділянки в молекулі ДНК, який вказує місце початку транскрипції - промотора. Після приєднання до промотора РНК-полімераза розкручує прилежащий виток спіралі ДНК. Два ланцюги ДНК в цьому місці розходяться, і на одній з них фермент здійснює синтез мРНК. Збірка рибонуклеотидов в ланцюг відбувається з дотриманням їх комплементарності нуклеотидам ДНК, а також антипараллельно по відношенню до матричної ланцюга ДНК. -конца к 3' -концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, а именно та, которая обращена к ферменту своим 3'-концом ( 3' → 5'). Такую цепь называют кодогенной (рис.3.2 4). Антипараллельность соединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК позволяет РНК-полимеразе правильно выбрать матрицу для синтеза мРНК. У зв'язку з тим, що РНК-полімераза здатна збирати полинуклеотид лише від 5 '-кінця до 3'-кінця, матрицею для транскрипції може служити тільки одна з двох ланцюгів ДНК, а саме та, яка звернена до ферменту своїм 3'-кінцем ( 3 '→ 5'). Таку ланцюг називають кодогенной (рис.3.2 4). антипараллельно з'єднання двох полінуклеотидних ланцюжків в молекулі ДНК дозволяє РНК-полімеразі правильно вибрати матрицю для синтезу мРНК.

терминатор транскрипции. Просуваючись вздовж кодогенной ланцюга ДНК, РНК-полімераза здійснює поступове точне переписування інформації до тих пір, поки вона не зустрічає специфічну нуклеотидну послідовність - термінатор транскрипції. Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор, образует единицу транскрипции - транскриптон. У цій ділянці РНК-полімераза відокремлюється як від матриці ДНК, так і від знову синтезованої мРНК (рис.2 5). Частковий молекули ДНК, що включає промотор транскрипційного послідовність і термінатор, утворює одиницю транскрипції - транскріптон.

У процесі синтезу, у міру просування РНК-полімерази уздовж молекули ДНК, пройдені нею одноланцюгові ділянки ДНК знову об'єднуються в подвійну спіраль. Утворена в ході процесу транскрипції мРНК містить точну копію інформації, записаної у відповідній ділянці ДНК. Трійки поруч стоять нуклеотидів мРНК, шифрувальні амінокислоти, називають кодонами. Послідовність кодонів мРНК шифрує послідовність амінокислот у пептидного ланцюга. Кодонам мРНК відповідають певні амінокислоти (табл.1).

аблица 1. Генетический код мРНК (подчеркнуты кодоны-терминаторы). Т Абліцов 1. Генетичний код мРНК (підкреслені кодони-термінатори). Другий нуклеотид

Схема синтеза мРНК Рис.2 4. Схема синтезу мРНК

Матрицею для транскрипції мРНК служить кодогенная ланцюг ДНК, звернена до ферменту своїм 3-кінцем

Рис. Роль РНК-полимеразы в транскрипции: 2 5. Роль РНК-полімерази в транскрипції:

обнаружение промоторной области в молекуле ДНК и раскручивание спирали ДНК; II - инициация синтеза цепи РНК путем связывания двух первых рибонуклеозидгрифосфатов; III - наращивание цепи РНК в направлении 5' → 3' путем присоединения рибонуклеозидгрифосфатов; IV - высвобождение 5'-конца синтезируемой РНК и восстановление двойной спирали ДНК; V - окончание синтеза РНК в области терминатора, отделение полимеразы от завершенной цепи РНК I - виявлення промоторної області в молекулі ДНК і розкручування спіралі ДНК; II - ініціація синтезу ланцюга РНК шляхом зв'язування двох перших рібонуклеозідгріфосфатов; III - нарощування ланцюга РНК в напрямку 5 '→ 3' шляхом приєднання рібонуклеозідгріфосфатов; IV - вивільнення 5'-кінця синтезується РНК і відновлення подвійної спіралі ДНК; V - закінчення синтезу РНК в області термінатора, відділення полімерази від завершеною ланцюга РНК

Транспортна РНК (тРНК). Трансляція. Важлива роль у процесі використання спадкової інформації клітиною належить транспортній РНК (тРНК). Доставляючи необхідні амінокислоти до місця збірки пептидних ланцюгів, тРНК виконує функцію трансляційного посередника.

Молекули тРНК являють собою полінуклеотидні ланцюга, синтезовані на певних послідовностях ДНК. В результате комплементарного соединения оснований, которые находятся в разных участках полинуклеотидной цепи тРНК, она приобретает структуру, напоминающую по форме лист клевера (рис.2 6). Вони складаються з відносно невеликого числа нуклеотидів - 75-95. У результаті комплементарного з'єднання підстав, які знаходяться в різних ділянках полинуклеотидной ланцюга тРНК, вона набуває структуру, що нагадує формою лист конюшини (рис.2 6).

Строение типичной молекулы тРНК Рис.2 6. Будова типовою молекули тРНК

У ній виділяють чотири головні частини, що виконують різні функції. Акцепторний "стебло" утворюється двома комплементарно з'єднаними кінцевими частинами тРНК. Він складається з семи пар основаній.3 '-кінець цього стебла декілька довше і формує одноланцюговий ділянку, який закінчується послідовністю ЦЦА з вільною ОН-групою. До цього кінця приєднується транспортується амінокислота. Інші три гілки представляють собою комплементарно спарені послідовності нуклеотидів, які закінчуються неспареними ділянками, що утворюють петлі. антикодоновая - состоит из пяти пар нуклеотидов и содержит в центре своей петли антикодон. Середня з цих гілок - антікодоновая - складається з п'яти пар нуклеотидів і містить в центрі своєї петлі антикодон. это три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида. Антикодон - це три нуклеотиди, комплементарні кодону мРНК, який шифрує амінокислоту, що транспортується даної тРНК до місця синтезу пептиду.

Між акцепторної і антікодоновой гілками розташовуються дві бічні гілки. дигидроуридин (D-пет ля) и триплет TψC , где у - псевдоуриаин (Т^С-петля). У своїх петлях вони містять модифіковані підстави - ​​дігідроурідін (D-пет ля) і триплет TψC, де у - псевдоуріаін (Т ^ С-петля). до 13-21 нуклеотидов. Між аітікодоновой і Т ^ С-гілками міститься додаткова петля, що включає від 3-5 до 13-21 нуклеотидів.

нуклеотидов. У цілому різні види тРНК характеризуються певною сталістю нуклеотидної послідовності, яка найчастіше складається з 76 нуклеотидів. Варіювання їх числа пов'язано головним чином із зміною кількості нуклеотидів у додатковій петлі. Комплементарні ділянки, що підтримують структуру тРНК, як правило, консервативні. Первинна структура тРНК, що визначається послідовністю нуклеотидів, формує вторинну структуру тРНК, що має форму листа конюшини. Одна из них образована акцепторной и Т ψ С-ветвями, другая - антикодоновой и D-ветвями. У свою чергу, вторинна структура обумовлює тривимірну третинну структуру, для якої характерним є утворення двох перпендикулярно розташованих подвійних спіралей (рис.2 7). Одна з них утворена акцепторної і Т ψ С-гілками, інша - антікодоновой і D-гілками.

антикодон. На кінці однієї з подвійних спіралей розташовується транспортується амінокислота, на кінці іншого - антикодон. Ці ділянки виявляються максимально віддаленими один від одного. Стабільність третинної структури тРНК підтримується завдяки виникненню додаткових водневих зв'язків між основами полинуклеотидной ланцюга, що знаходяться в різних її ділянках, але просторово зближених в третинної структурі.

Різні види тРНК мають подібну третинну структуру, хоча і з деякими варіаціями.

Пространственная организация тРНК: Рис.2 7. Просторова організація тРНК:

вторичная структура тРНК в виде "клеверного листа", определяемая ее первичной структурой (последовательностью нуклеотидов в цепи); I - вторинна структура тРНК у вигляді "конюшини", обумовлена ​​її первинної структурою (послідовністю нуклеотидів у ланцюзі);

двумерная проекция третичной структуры тРНК; II - двовимірна проекція третинної структури тРНК;

II - схема укладки молекулы тРНК в пространстве I II - схема укладання молекули тРНК в просторі

Однією з особливостей тРНК є наявність у ній незвичайних підстав, що виникають внаслідок хімічної модифікації вже після включення нормального заснування в полінуклеотидний ланцюг. Ці змінені підстави обумовлюють велику структурний різноманіття тРНК при загальному плані їх будови. Найбільший інтерес представляють модифікації підстав, формують антикодон, які впливають на специфічність його взаємодії з кодоном. У, Ц и А (рис.3.2 8). Так как одной из особенностей генетического кода является его вырожденность (см. разд.3 .4.1.2), многие аминокислоты шифруются несколькими кодонами, которые, как правило, различаются своим третьим основанием. Наприклад, нетипове підставу інозин, іноді стоїть в 1-му положенні антикодоном тРНК, здатний комплементарно з'єднуватися з трьома різними третіми підставами кодону мРНК - У, Ц і А (рис.3.2 8). Оскільки однією з особливостей генетичного коду є його вирожденність ( див. разд.3 .4.1.2), багато амінокислот шифруються кількома кодонами, які, як правило, розрізняються своїм третім підставою. Завдяки відсутності адресності зв'язування модифікованого підстави антикодоном одна тРНК дізнається кілька кодонів-синонімів.

Соединение инозина водородными связями с тремя различными азотистыми основаниями Водородные связи обозначены точками Рис.2 8. З'єднання інозину водневими зв'язками з трьома різними азотистими підставами Водневі зв'язки позначені крапками

Встановлено також існування декількох видів тРНК, здатних з'єднуватися з одним і тим же кодоном. (по количеству кодонов), а около 40 различных молекул тРНК. У результаті в цитоплазмі клітин зустрічається не 61 (за кількістю кодонів), а близько 40 різних молекул тРНК. разных аминокислот к месту сборки белка. Цієї кількості достатньо, щоб транспортувати 20 різних амінокислот до місця збірки білка.

Поряд з функцією точного впізнавання певного кодону в мРНК молекула тРНК здійснює доставку до місця синтезу пептидного ланцюга суворо певної амінокислоти, зашифрованою за допомогою даного кодону. Специфічне з'єднання тРНК зі "своєю" амінокислотою протікає в два етапи і призводить до утворення сполуки, званого аміноацил-тРНК (рис.2 9).

Присоединение аминокислоты к соответствующей тРНК: Рис.2 9. Приєднання амінокислоти до відповідної тРНК:

1-й этап, взаимодействие аминокислоты и АТФ с выделением пирофосфата; I - 1-й етап, взаємодія амінокислоти і АТФ з виділенням пірофосфату;

2-й этап, присоединение адепилированной аминокислоты к 3'-концу РНК II - 2-й етап, приєднання адепілірованной амінокислоти до 3'-кінця РНК

На першому етапі амінокислота активується, взаємодіючи своєї карбоксильною групою з АТФ. У результаті утворюється адепілірованная амінокислота.

На другому етапі це з'єднання взаємодіє з ОН-групою, що знаходиться на 3'-кінці відповідної тРНК, і амінокислота приєднується до нього своєю карбоксильною групою, вивільняючи при цьому АМФ. Таким чином, цей процес протікає з витратою енергії, одержуваної при гідролізі АТФ до АМФ.

Специфічність з'єднання амінокислоти і тРНК, що несе відповідний антикодон, досягається завдяки властивостям ферменту аміноацил-тРНК-синтетази. соответствующего ей антикодона тРНК (рис.3.3 0). Наследственная информация, "записанная" в молекулах ДНК и "переписанная" на мРНК, расшифровывается в ходе трансляции благодаря двум процессам специфического узнавания молекулярных поверхностей. У цитоплазмі існує цілий набір таких ферментів, які здатні до просторового впізнавання, з одного боку, своєю амінокислоти, а з іншого - відповідного їй антикодоном тРНК (рис.3.3 0). Спадкова інформація, "записана" у молекулах ДНК і "переписану" на мРНК, розшифровується в ході трансляції завдяки двом процесам специфічного впізнавання молекулярних поверхонь. Спочатку фермент аміноацил-тРНК-синтетаза забезпечує з'єднання тРНК з транспортується нею амінокислотою. Потім аміноацил-тРНК комплементарно злучається з мРНК завдяки взаємодії антикодоном з кодоном. За допомогою системи тРНК мова нуклеотидної ланцюга мРНК. транслюється в мову амінокислотної послідовності пептиду (рис.3 0).

Рибосомна РНК (рРНК). Рибосомна цикл синтезу білка. Процес взаємодії мРНК і тРНК, що забезпечує трансляцію інформації з мови нуклеотидів на мову амінокислот, здійснюється на рибосомах. Останні являють собою складні комплекси рРНК та різноманітних білків, у яких перші утворюють каркас. Хвороби є не тільки структурним компонентом рибосом, але й забезпечують зв'язування їх з певною нуклеотидної послідовністю мРНК. Цим встановлюються початок і рамка зчитування при утворенні пептидного ланцюга. Крім того, вони забезпечують взаємодію рибосоми і тРНК. Численні білки, що входять до складу рибосом поряд з рРНК, виконують як структурну, так і ферментативну роль.

Схема трансляции генетического кода: I - присоединение аминокислоты (триптофана) к соответствующей тРНК с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы; II - присоединение тРНК, несущей свою аминокислоту, к мРНК благодаря связыванию ее антикодона с кодоном мРНК Рис.3 0. Схема трансляції генетичного коду: I - приєднання амінокислоти (триптофану) до відповідної тРНК за допомогою ферменту аміноацил-тРНК-синтетази; II - приєднання тРНК, що несе свою амінокислоту, до мРНК завдяки зв'язуванню її антикодоном з кодоном мРНК

Рибосоми про-і еукаріотів дуже подібні за структурою та функціями. Вони складаються з двох субчастіц: великої і малої. молекулами разных белков. У еукаріотів мала субодиниця утворена однією молекулою рРНК і 33 молекулами різних білків. белков. Велика субодиниця об'єднує три молекули рРНК і близько 40 білків. Прокаріотичні рибосоми і рибосоми мітохондрій і пластид містять менше компонентів.

У рибосомах є дві борозенки. мРНК. Одна з них утримує зростаючу поліпептидний ланцюг, інша - мРНК. Крім того, в рибосомах виділяють дві ділянки, що зв'язують тРНК. У аміноацільном, А-ділянці розміщується аміноацил-тРНК, що несе певну амінокислоту. У пептідільном, П-ділянці розташовується зазвичай тРНК, яка навантажена ланцюжком амінокислот, сполучених пептидними зв'язками. Освіта А - і П-ділянок забезпечується обома субчастинка рибосоми.

нуклеотидов. У кожен момент рибосома екранує сегмент мРНК протяжністю близько 30 нуклеотидів. При цьому забезпечується взаємодія тільки двох тРНК з двома розташованими поруч кодонами мРНК (рис.3 1).

Трансляція інформації на "мову" амінокислот виражається в поступовому нарощуванні пептидного ланцюга відповідно до інструкції, укладеної в мРНК. Цей процес протікає на рибосомах, які забезпечують послідовність розшифровки інформації за допомогою тРНК. Під час трансляції можна виділити три фази: ініціацію, елонгацію і терминацию синтезу пептидного ланцюга.

Участки связывания молекул тРНК и рибосомы: Рис.3 1. Ділянки зв'язування молекул тРНК і рибосоми:

ненагруженная рибосома, II - нагруженная рибосома; ак - аминокислота I - ненавантаженому рибосома, II - навантажена рибосома; ак - амінокислота

Фаза ініціації, або початок синтезу пептиду, полягає в об'єднанні двох перебувають до цього порізно в цитоплазмі субчастіц рибосоми на певній ділянці мРНК і приєднання до неї першого аміноацил-тРНК. Цим задається також рамка зчитування інформації, що містяться в мРНК (рис.3 2).

У молекулі будь-мРНК поблизу її 5'-кінця є ділянка, комплементарний рРНК малої субодиниці рибосоми і специфічно впізнаваний нею. Поруч з ним розташовується ініціює стартовий кодон АУТ, шифрувальний амінокислоту метіонін. Мала субодиниця рибосоми з'єднується з мРНК таким чином, що стартовий кодон АУТ розташовується в області, що відповідає П-ділянці. При цьому тільки ініціює тРНК, несуча метіонін, здатна зайняти місце в недобудованому П-ділянці малої субодиниці і комплементарно з'єднатися зі стартовим кодоном. Після описаного події відбувається об'єднання великої і малої субчастіц рибосоми з утворенням її пептідільного і аміноацільного ділянок (рис.3.3 2).

Инициация белкового синтеза: Рис.3 2. Ініціація білкового синтезу:

- соединение малой субчаспщы рибосомы с мРНК, присоединение к стартовому кодону несущей метионин тРНК, которая располагается в недостроенном П-участке; II - соединение большой и малой субчастиц рибосомы с образованием П - и А-участков; следующий этап связан с размещением в А-участке аминоацил-тРНК, соответствующей расположенному в нем кодону мРНК, - начало элонгации; ак - аминокислота I - з'єднання малої субчаспщи рибосоми з мРНК, приєднання до стартового кодону несучої метіонін тРНК, яка розташовується в недобудованому П-ділянці; II - з'єднання великої і малої субчастіц рибосоми з утворенням П - і А-ділянок; наступний етап пов'язаний з розміщенням в А- ділянці аміноацил-тРНК, відповідної розташованому в ньому кодону мРНК, - початок елонгації; ак - амінокислота

До кінця фази ініціації П-ділянка зайнята аміноацил-тРНК, пов'язаної з метіоніном, тоді як в А-ділянці рибосоми розташовується наступний за стартовим кодон.

факторами инициации, которые подвижно связаны с малой субчастицей рибосомы. Описані процеси ініціації трансляції катализируются особливими білками - факторами ініціації, які рухомо пов'язані з малою субчастіц рибосоми. мРНК - инициирующая аминоацил-тРНК эти факторы отделяются от рибосомы. По завершенні фази ініціації і освіти комплексу рибосома - мРНК - ініціююча аміноацил-тРНК ці фактори відокремлюються від рибосоми.

Фаза елонгації, або подовження пептиду, включає в себе всі реакції від моменту утворення перших пептидного зв'язку до приєднання останньої амінокислоти. Вона являє собою циклічно повторюються події, при яких відбувається специфічне впізнавання аміноацил-тРНК чергового кодону, що знаходиться в А-ділянці, комплементарное взаємодія між антикодоном і кодоном.

Завдяки особливостям тривимірної організації тРНК при поєднанні її антикодоном з кодоном мРНК. транспортується нею амінокислота розташовується в А-ділянці, поблизу від раніше включеної амінокислоти, що знаходиться в П-ділянці. Між двома амінокислотами утворюється пептидний зв'язок, каталізуемая особливими білками, що входять до складу рибосоми. У результаті попередня амінокислота втрачає зв'язок зі своєю тРНК і приєднується до аміноацил-тРНК, розташованої в А-ділянці. Перемещение тРНК, нагруженной пептидной цепочкой, из А-участка в П-участок сопровождается продвижением рибосомы по мРНК на шаг, соответствующий одному кодону. Що знаходиться в цей момент у П-ділянці тРНК вивільняється і йде в цитоплазму (рис.3 3). Переміщення тРНК, навантаженої пептидного ланцюжком, з А-ділянки в П-ділянка супроводжується просуванням рибосоми по мРНК на крок, що відповідає одному кодону. Тепер наступний кодон приходить в контакт з А-ділянкою, де він буде специфічно "пізнаний" відповідної аміноацил-тРНК, яка розмістить тут свою амінокислоту. Така послідовність подій повторюється до тих пір, поки в А-ділянка рибосоми не надійде кодон-термінатор, для якого не існує відповідної тРНК.

Фаза элонгации в синтезе белка: Рис.3 3. Фаза елонгації в синтезі білка:

аминоацил-тРНК присоединяется к кодону, расположенному в А-участке; 1-й етап - аміноацил-тРНК приєднується до кодону, розташованому в А-ділянці;

между аминокислотами, расположенными в А - и П-участках, образуется пептидиая связь: тРНК, расположенная в П-участке, освобождается от своей аминокислоты и покидает рибосому; 2-й етап - між амінокислотами, розташованими в А - і П-ділянках, утворюється пептиду зв'язок: тРНК, розташована в П-ділянці, звільняється від своєї амінокислоти і покидає рибосому;

рибосома перемещается по мРНК на один кодон так, что тРНК, нагруженная пептидной цепочкой, переходит из А-участка в П-участок; свободный А-участок может быть занят соответствующей аминоацил-тРНК 3-й етап - рибосома переміщається по мРНК на один кодон так, що тРНК, навантажена пептидного ланцюжком, переходить з А-ділянки в П-ділянку; вільний А-ділянка може бути зайнятий відповідної аміноацил-тРНК

Терминация синтеза пептидной цепи: Рис.3 4. Термінація синтезу пептидного ланцюга:

присоединение фактора освобождения к стоп-кодону; 1-й етап - приєднання фактора звільнення до стоп-кодону;

терминация, высвобождение завершенного пептида; 2-й етап - термінація, вивільнення завершеного пептиду;

диссоциация рибосомы на две субчастицы 3-й етап - дисоціація рибосоми на дві субодиниці

Збірка пептидного ланцюга здійснюється з досить великою швидкістю, що залежить від температури. °С она выражается в добавлении к подипептиду от 12 до 17 аминокислот в 1 с. У бактерій при 37 ° С вона виражається в додаванні до подіпептіду від 12 до 17 амінокислот в 1 с. с. В еукаріотичних клітинах ця швидкість нижче і виражається в додаванні двох амінокислот в 1 с.

Фаза термінації, або завершення синтезу поліпептиду, пов'язана з впізнавання специфічним рибосомного білка одного з терминируются кодонів (УАА, УАГ або У ГА), коли той входить у зону А-ділянки рибосоми. При цьому до останньої амінокислоті в пептидного ланцюга приєднується вода, і її карбоксильний кінець відділяється від тРНК. У результаті завершена пептидна ланцюг втрачає зв'язок з рибосомою, яка розпадається на дві субодиниці (рис.3 4).

4.3.2 Особливості організації та експресії генетичної інформації у про-і еукаріотів

За хімічної організації матеріалу спадковості і мінливості еукаріотичні і прокаріотів клітини принципово не відрізняються один від одного. Генетичний матеріал у них представлений ДНК. Спільним для них є й принцип запису генетичної інформації, а також генетичний код. Одні й ті ж амінокислоти шифруються у про - та еукаріотів однаковими кодонами. Принципово однаковим чином у названих типів клітин здійснюється і використання спадкової інформації, що зберігається в ДНК. Спочатку вона транскрибується в нуклеотидну послідовність молекули мРНК, а потім транслюється в амінокислотну послідовність пептиду на рибосомах за участю тРНК. Проте деякі особливості організації спадкового матеріалу, що відрізняють еукаріотичні клітини від прокаріотів, зумовлюють відмінності у використанні їх генетичної інформації.

Спадковий матеріал клітини прокаріотів міститься головним чином в єдиній кільцевої молекулі ДНК. Вона розташовується безпосередньо в цитоплазмі клітини, де також знаходяться необхідні для експресії генів тРНК та ферменти, частина з яких полягає в рибосомах. Гени прокаріот складаються цілком з кодують нуклеотидних послідовностей, що реалізуються в ході синтезу білків, тРНК або рРНК.

Он расположен в основном в особых ядерных структурах - хромосомах, которые отделены от цитоплазмы ядерной оболочкой. Спадковий матеріал еукаріотів більша за обсягом, ніж у прокаріот. Він розташований в основному в особливих ядерних структурах - хромосомах, які відокремлені від цитоплазми ядерною оболонкою. Необхідний для синтезу білків апарат, що з рибосом, тРНК, набору амінокислот і ферментів, знаходиться в цитоплазмі клітини.

Значні відмінності є в молекулярній організації генів еукаріотичної клітини. У більшості з них кодують послідовності Екзони перериваються интронами ділянками, які не використовуються при синтезі тРНК, рРНК або пептидів. Кількість таких ділянок варіює в різних генах. интронов, а ген проколлагена млекопитающих - 50. Эти участки удаляются из первично-транскрибируемой РНК, в связи с чем использование генетической информации в эукариотической клетке происходит несколько иначе. Встановлено, що ген овальбуміна курей включає 7 інтронів, а ген проколагену ссавців - 50. Ці ділянки видаляються з первинно-транскрибуються РНК, у зв'язку з чим використання генетичної інформації в еукаріотичної клітині відбувається трохи інакше. У прокаріотів клітці, де спадковий матеріал і апарат біосинтезу білка просторово не роз'єднані, транскрипція і трансляція відбуваються майже одночасно. У еукаріотичної клітці ці два етапи не тільки просторово відокремлені ядерною оболонкою, а й у часі їх поділяють процеси дозрівання мРНК, з якої мають бути видалені неінформативні послідовності (рис.3 5).

Рис. Обобщенная схема процесса экспрессии генетической информации в эукариотической клетке 3 5. Узагальнена схема процесу експресії генетичної інформації в еукаріотичної клітці

Крім зазначених відмінностей на кожному етапі експресії генетичної інформації можна відзначити деякі особливості перебігу цих процесів у про - та еукаріотів.

Транскрипція у про - та еукаріотів. это синтез РНК на матрице ДНК. Транскрипція - це синтез РНК на матриці ДНК. РНК-полимеразой. У прокаріотів синтез всіх трьох видів РНК каталізується одним складним білковим комплексом - РНК-полімеразою.

Транскрипції апарат еукаріотичних клітин включає три ядерні РНК-полімерази, а також РНК-полімерази мітохондрій і пластид. обнаруживается в ядрышках клеток и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полімераза I виявляється в ядерцях клітин і відповідає за транскрипцію генів рРНК. локализуется в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полімераза II локалізується в ядерному соку і відповідає за синтез попередника мРНК. - небольшая фракция, находящаяся в ядерном соке и осуществляющая синтез малых рРНК и тРНК. РНК-полімераза III - невелика фракція, яка перебуває в ядерному соку і що здійснює синтез малих рРНК і тРНК. малых. Кожен з цих ферментів має дві великі субодиниці і до 10 малих. РНК-полімерази мітохондрій і пластид відрізняються від ядерних.

Ферментний комплекс РНК-полімерази специфічно дізнається якусь нуклеотидну послідовність (часто не одну), розташовану на певній відстані від стартової точки транскрипції, - промотор. Початковою точкою вважають нуклеотид ДНК, якому відповідає перший нуклеотид, що включається ферментом в РНК-транскрипт.

ТАТААТ, называемая блоком Прибнова. У прокаріотів зазвичай недалеко від стартової точки проти ходу транскрипції розташовується послідовність з шести нуклеотидів - ТАТААТ, звана блоком Прібнова. и 6-е основания. Це середньостатистична послідовність, що складається з найбільш часто зустрічаються підстав, найконсервативнішими з яких є 1,2 та 6-е підстави. Наявність в цій послідовності підстав, переважно з'єднаних подвійними водневими зв'язками з комплементарними основами іншого ланцюга, очевидно, полегшує локальне плавлення подвійної спіралі ДНК і утворення двох її одноланцюгових ділянок при контакті з РНК-полімеразою. до - 5 или от - 14 до - 8, т.е. Блок Прібнова розташовується в положенні від - 11 до - 5 або від - 14 до - 8, тобто Обнаруживая эту последовательность, РНК-полимераза прочно связывается с ней и начинает синтез РНК. за кілька нуклеотидів перед стартовою точкою транскрипції (рис.3 6). Виявляючи цю послідовність, РНК-полімераза міцно зв'язується з нею і починає синтез РНК. Ее называют областью узнавания - ТТГАЦА. Настільки ж важлива роль у встановленні контакту РНК-полімерази з ДНК належить іншій нуклеотидної послідовності, центр якої знаходиться в положенні - 35. Її називають областю впізнавання - ТТГАЦА. до 19 пар нуклеотидов (п. н). Між двома зазначеними ділянками відстань досить постійно і становить від 16 до 19 пар нуклеотидів (п. н).

и - 75 п. Промотори еукаріотичних генів також включають щонайменше дві специфічні нуклеотидні послідовності, центри яких знаходяться в положенні - 25 і - 75 п. н.

нуклеотидов от стартовой точки против хода транскрипции у многих генов эукариот обнаружена среднестатистическая последовательность ТАТ ^А _Т А ^А _Т (ТАТА-блок, или блок Хогнесса), в которой, так же как в блоке Прибнова у прокариот, преобладают основания, образующие более слабые связи. На відстані 19-27 нуклеотидів від стартової точки проти ходу транскрипції у багатьох генів еукаріот виявлена ​​середньостатистична послідовність ТАТ ^А _Т ^А А _Т (ТАТА-блок, або блок Хогнесса), в якій, так само як у блоці Прібнова у прокаріотів, переважають підстави, утворюють більш слабкі зв'язки. Другу послідовність, зустрічаємо в багатьох промоторах еукаріот і складається з ГГ ^Ц _Т ЦААТЦТ, позначають як ЦААТ-блок. и - 80 нуклеотидами и также является областью, узнаваемой полимеразой. Вона займає положення між - 70 і - 80 нуклеотидами і також є областю, впізнаваною полімеразою. У деяких генах виявлені багатокомпонентні промотори.

и - 27, между - 47 и - 61, а также между - 80 и - 105 нуклеотидами. Так, в окремих генах вірусу герпесу для ефективної ініціації транскрипції необхідні три послідовності ДНК, розташовані між - 19 і - 27, між - 47 і - 61, а також між - 80 і - 105 нуклеотидами.

Точки контакта для РНК-полимеразы, находящиеся в верхней цепи ДНК (промотор) Рис.3 6. Точки контакту для РНК-полімерази, що знаходяться у верхній ланцюга ДНК (промотор)

Особливості промоторних ділянок свідчать про те, що для ініціації транскрипції має значення не тільки поєднання підстав у певних областях промотора, але і взаємне розташування в молекулі ДНК цих областей, з якими зв'язується ферментний комплекс РНК-полімерази.

Після встановлення контакту між РНК-полімеразою та промоторні ділянкою починається збірка молекули РНК, в яку першим найчастіше включається нуклеотид, що несе пуриновое основу (як правило, аденін) і містить три 5'-фосфатних залишку.

Терминатор - это участок, где прекращается дальнейший рост цепи РНК и происходит ее освобождение от матрицы ДНК. Далі, у міру просування РНК-полімерази уздовж молекули ДНК відбувається поступове подовження ланцюжка РНК, яке триває до зустрічі ферменту з областю термінатора. Термінатор - це ділянка, де припиняється подальше зростання ланцюга РНК і відбувається її звільнення від матриці ДНК. РНК-полімераза також відділяється від ДНК, яка відновлює свою двухцепочечную структуру.

Область ДНК с двойной симметрией - палиндром: Рис.3 7. Область ДНК з подвійною симетрією - паліндром:

- палиндром , в котором имеется последовательность, одинаковая при чтении в противоположных направлениях; I - паліндром, в якому є послідовність, однакова при читанні в протилежних напрямках;

палиндром, в котором заштрихованный инвертированный повтор находится на расстоянии от оси симметрии II - паліндром, в якому заштрихований інвертований повтор знаходиться на відстані від осі симетрії

двухцепочечные последовательности нуклеотидов ДНК, которые одинаково читаются в обоих направлениях (рис.3 7). Участок РНК, транскрибированный с такой последовательности, способен образовывать двухцепочечные шпильки за счет комплементарного спаривания нуклеотидов палиндрома. У прокаріотичних клітинах термінатори обов'язково містять паліндроми - дволанцюжкові послідовності нуклеотидів ДНК, які однаково читаються в обох напрямках (рис.3 7). Ділянка РНК, транскрибованної з такою послідовності, здатний утворювати дволанцюжкові шпильки за рахунок комплементарного спаровування нуклеотидів паліндрома. Возникающие шпильки, видимо, останавливают полимеразу на терминаторе. Можливо, це і є сигналом для завершення транскрипції, впізнаваним РНК-полімеразою (рис.3.3 8). Виникаючі шпильки, мабуть, зупиняють полімеразу на терминатор. Слідом за шпилькою в молекулу РНК включається послідовність з нуклеотидів, що містять урацил (поліУ), яка, ймовірно, бере участь у вивільненні РНК від матриці ДНК. Дійсно, поліУ-послідовність РНК, поєднана з поліаденіловой (Поліана) послідовністю ДНК, характеризується слабкою взаємодією. Звертає на себе увагу той факт, що ділянка ДНК, багатий парами А-Т, зустрічається не тільки в місці ініціації транскрипції (блок Прібнова), але і в термінаторной області.

Бактеріальні термінатори значно різняться за своєю ефективністю. Деякі з них як би не помічаються РНК-полімеразою, і вона продовжує транскрипцію за межами термінатора. факторами антитерминации. Таке прочитування термінатора при транскрипції бактеріальних генів спостерігається внаслідок запобігання термінації специфічними білками - факторами антітермінаціі. Наслідком антітермінаціі є синтез Поліцистронна мРНК, що включає в себе інформацію, списану з декількох послідовно розташованих структурних генів.

Термінатори еукарйогіческіх генів вивчені в меншій мірі, ніж у проскаріот, але в них також виявлені райони, багаті Г-Ц парами, з'єднаними потрійними водневими зв'язками, в яких розташовується, ділянка з А-Т парами. На цій ділянці в транскрипт включається поліУ-послідовність, слабко взаємодіє з матричною Поліана-областио ДНК.

Можливо, область термінатора, багата Г-Ц парами, грає певну роль в зупинці РНК-полімерази, а ділянка РНК, що містить Уууу забезпечує відділення транскрипту від матриці ДНК.

У еукаріотів не виявлено утворення структур, подібних шпильках у прокаріотичних РНК. Тому, яким чином у них здійснюється термінація транскрипції, залишається неясним.

У складі всіх мРНК можна виділити кодують ділянки, що представляють набір кодонів, які шифрують послідовність амінокислот в пептиди. Як правило, ці ділянки починаються стартовим кодоном АУГ, але іноді у бактерій використовується кодон ГУТ. На кінці кодує послідовності розташовується терминируются кодон. Крім кодують ділянок в мРНК на обох кінцях можуть розташовуватися додаткові послідовності. -конце это лидерный участок, расположенный перед стартовым кодоном. На 5 '-кінці це лідерних ділянку, розташовану перед стартовим кодоном. трейлер, следующий за кодоном-терминатором. На 3'-кінці - трейлер, наступний за кодоном-термінатором.

Образование шпильки участком РНК при терминации транскрипции у прокариот Рис.3 8. Освіта шпильки ділянкою РНК при термінації транскрипції у прокаріот

шпильку (инвертированные повторы заштрихованы) Область РНК, що несе паліндром, утворює комплементарно спаровуються структуру - шпильку (інвертовані повтори заштриховані)

У Поліцистронна мРНК прокаріотів між кодирующими ділянками є межцістронние області, які варіюють за розмірами (рис.3.3 9).

Полицистронная матричная РНК прокариот: Рис.3 9. Поліцистронна матрична РНК прокаріотів:

некодирующие области, 2 - межцистронные области, 3 - кодирующие области, 4 - терминирующие кодоны 1 - некодуючі області, 2 - межцістронние області, 3 - кодують області, 4 - терминируются кодони

У зв'язку з тим що прокаріотів гени цілком складаються з нуклеотидних послідовностей, що беруть участь в кодуванні інформації, транскрибоване з них РНК відразу після їх синтезу здатні виконувати функцію матриць для трансляції. процессинг. Лише у виняткових випадках потрібно їх попереднє дозрівання - процесинг.

интроны, не участвующие в кодировании информации. На відміну від прокаріотів генів більшість генів еукаріотів переривчасті, тому що несуть у своєму складі неінформативні нуклеотидні послідовності - інтрони, які беруть в кодуванні інформації. обладают большими, чем необходимо для трансляции, размерами и оказываются менее стабильными. У зв'язку з цим первинні транскрипти, синтезовані РНК-полімеразою II, володіють більшими, ніж необхідно для трансляції, розмірами і виявляються менш стабільними. У сукупності вони утворюють так звану гетерогенну ядерну РНК (тРНК), яка перш ніж вийти з ядра і почати активно функціонувати в цитоплазмі, піддається процесингу і перетворюється в зрілі мРНК.

Процесинг еукаріотичних мРНК. экзонов. Дозрівання, або процесинг, мРНК передбачає модифікування первинного транскрипту та видалення з нього некодуючих інтрони ділянок з подальшим з'єднанням (сплайсингом) кодують послідовностей - екзонів. -конца, содержащего одно из пуриновых оснований (аденин или гуанин). Модифікування первинного транскрипту мРНК починається незабаром після синтезу його 5 '-кінця, яке містить одне з пуринових основ (аденін або гуанін). кэп, который блокирует 5' -конец мРНК путем присоединения к первому нуклеотиду транскрипта трифосфонуклеозида, содержащего гуанин, связью 5'-5'. На цьому кінці утворюється ковпачок - кеп, який блокує 5 '-кінець мРНК шляхом приєднання до першого нуклеотиду транскрипту тріфосфонуклеозіда, що містить гуанін, зв'язком 5'-5'.

фффАф N … → ГфффАфN. + фф + ф В результате образуется последовательность ГфффАфЧМ..., в которой остаток туанина находится в обратной ориентации по отношению к другим нуклеотидам мРНК. Гффф + фффАф N ... → ГфффАфN. + ФФ + ф У результаті утворюється послідовність ГфффАфЧМ ..., в якій залишок туаніна знаходиться у зворотній орієнтації по відношенню до інших нуклеотидам мРНК. -конца мРНК предполагает также метилирование присоединенного гуанина и первых двух-трех оснований первичного транскрипта (рис.3.4 0). Образуемые на 5' - концах мРНК кэпы обеспечивают узнавание молекул мРНК малыми субчастицами рибосом в цитоплазме. Модифікація 5 '-кінця мРНК передбачає також метилювання приєднаного гуаніну і перших двох-трьох підстав первинного транскрипту (рис.3.4 0). Утворені на 5' - кінцях мРНК кепи забезпечують впізнавання молекул мРНК малими субчастинка рибосом в цитоплазмі. Кешування здійснюється ще до закінчення синтезу первинного транскрипту.

Рис. Образование зрелой мРНК эукариот в ходе процессинга: 4 0. Освіта зрілої мРНК еукаріотів в ході процесингу:

некодирующие последовательности, 2 - экзоны, 3 - интроны, 4 - кодон-терминатор 1 - некодуючі послідовності, 2 - Екзони, 3 - інтрони, 4 - кодон-термінатор

-конце первичного транскрипта и присоединение к нему последовательности, состоящей из 100-200 остатков адениловой кислоты (полиА) (рис.3.4 0). Считают, что эта последовательность способствует дальнейшему процессингу и транспорту зрелой мРНК из ядра. Після завершення транскрипції відбувається видалення частини нуклеотидів на 3 '-кінці первинного транскрипту і приєднання до нього послідовності, що складається з 100-200 залишків адениловой кислоти (Поліана) (рис.3.4 0). Вважають, що ця послідовність сприяє подальшому процесингу і транспорту зрілої мРНК з ядра. -конце. Після виходу мРНК в цитоплазму її Поліана-послідовність поступово коротшає під дією ферментів, відщеплюється нуклеотиди на 3 '-кінці. Таким чином, по довжині Поліана-послідовності можна побічно судити про час перебування мРНК в цитоплазмі. Можливо, додавання Поліана-послідовності в ході процесингу підвищує стабільність мРНК. Однак близько третини мРНК взагалі не містять Поліана-ділянки. До них відносяться, наприклад, гістоновими мРНК.

-конце и полиА-последовательности на 3'-конце характерно только для процессинга РНК, синтезируемых РНК-полимеразой II. Кроме метилирования при формировании кэпов в мРНК высших эукариот происходит метилирование небольшой части внутренних нуклеотидов с частотой приблизительно одно на тысячу оснований мРНК. Освіта кепа на 5 '-кінці і Поліана-послідовності на 3'-кінці характерно тільки для процесингу РНК, синтезованих РНК-полімеразою II. Крім метилювання при формуванні кепів в мРНК вищих еукаріот відбувається метилювання невеликої частини внутрішніх нуклеотидів з частотою приблизно одне на тисячу підстав мРНК.

до 10 000 нуклеотидов и более. Поряд з модифікуванням мРНК еукаріотів процесинг припускає видалення з первинних транскриптів неінформативних для даного білка інтрони ділянок, розмір яких варіюється від 100 до 10 000 нуклеотидів і більше. всей гяРНК. На частку інтронів припадає близько 80% всієї гяРНК. Видалення інтронів з подальшим з'єднанням екзонів ділянок називають сплайсингом (рис.4 0).

Сплайсинг представляє собою механізм, який повинен забезпечувати видалення з первинного транскрипту суворо визначених інтрони ділянок. Порушення цього процесу може привести до зсуву рамки зчитування при трансляції і неможливості синтезу нормального пептиду. Закономірність вирізання інтронів, очевидно, забезпечується завдяки наявності на їх кінцях специфічних нуклеотидних послідовностей, службовців сигналами для сплайсингу.

В даний час описано кілька ймовірних механізмів сплайсингу, що забезпечують точність цього процесу. интрон, а затем образование связей между двумя экзонами. Можливо, вона досягається дією якихось ферментів, специфічно котрі дізнаються кінцеві ділянки інтронів і каталізують розрив фосфодіефірних зв'язків на кордоні екзон - Інтрон, а потім утворення зв'язків між двома екзонами.

Встановлено активну участь у сплайсинг особливих малих, ядерних РНК (малі ядерні РНК), що утворюють комплекси з білками (мяРНП). Очевидно, малі ядерні РНК своїми нуклеотидними послідовностями комплементарно взаємодіють з кінцевими ділянками інтронів, які утворюють при цьому замкнуті петлі. Розщеплення РНК в гирлі інтронів петлі призводить до видалення неінформативною послідовності і з'єднання (сплайсингу) зближених решт екзонів.

Обговорюється також автокаталітіческій здатність РНК-транскрипту до сплайсингу. Описані способи сплайсингу свідчать про відсутність універсального механізму цього процесу, проте у всіх випадках досягається точне видалення інтронів з утворенням певної мРНК, що забезпечує синтез необхідного клітці білка.

В даний час доведено можливість альтернативного (взаємовиключення) сплайсингу, при якому з одного і того ж первинного транскрипту можуть видалятися різні нуклеотидні послідовності і утворюватися різні зрілі мРНК. У результаті одна й та ж послідовність нуклеотидів ДНК може служити інформацією для синтезу різних пептидів. Альтернативний сплайсинг, ймовірно, дуже характерний в системі генів імуноглобулінів у ссавців, де він дозволяє формувати на основі одного транскрипту мРНК для синтезу різних видів антитіл.

Завдяки перетворенням, що відбуваються з РНК-транскриптом в ході процесингу, зрілі мРНК еукаріотів характеризуються більшою стабільністю в порівнянні з прокариотическими мРНК.

гяРНК. По завершенні процесингу зріла мРНК проходить відбір перед виходом у цитоплазму, куди потрапляє лише 5% гяРНК. Інша частина розщеплюється, не залишаючи ядра.

Таким чином, перетворення первинних транскриптів еукаріотичних генів, обумовлені їх екзонітронной організацією і необхідністю переходу мРНК з ядра в цитоплазму, визначають особливості реалізації генетичної інформації в еукаріотичної клітці.

Трансляція у про - та еукаріотів. У прокаріотичних клітинах процес трансляції пов'язаний із синтезом мРНК: вони відбуваються практично одночасно. Значною мірою це пов'язано з недовговічністю бактеріальної мРНК, яка досить швидко піддається розпаду. Взаємопов'язаність транскрипції і трансляції у бактерії виявляється в узгодженості швидкостей цих процесів. нуклеотидов/мин (14 кодонов/с), а трансляция осуществляется со скоростью 15 аминокислот/с. При 37 ° С транскрипція йде зі швидкістю 2500 нуклеотидів / хв (14 кодонів / с), а трансляція здійснюється зі швидкістю 15 амінокислот / с.

Трансляція у прокаріот починається незабаром після утворення 5'-кінця мРНК, раніше, ніж закінчується її синтез. Через некоторое время после начала транскрипции (около 1 мин) и до завершения трансляции 3' -конца матрицы начинается деградация ее 5' -конца. У результаті слідом за РНК-полімеразою по мРНК рухаються рибосоми, що здійснюють збірку пептидних ланцюгів (рис.4 1). Через деякий час після початку транскрипції (близько 1 хв) і до завершення трансляції 3 '-кінця матриці починається деградація її 5'-кінця . З огляду на те що час життя різних мРНК не однаково, кількість білка, синтезованого на різних матрицях, різна.

формилметионина, с которого начинаются все вновь синтезированные пептиды. Однією з особливостей трансляції у прокаріотів є включення в пептидний ланцюг в якості першої амінокислоти модифікованого метіоніну - формілметіоніна, з якого починаються всі знову синтезовані пептиди. Навіть у тому випадку, коли роль стартового кодону виконує кодом Гуг, у звичайних умовах шифрувальний валін, в першому положенні пептиду виявляється формілметіонін. Стартовий кодон АУГ або Гуг слід за лідерних ділянкою, який екранується рибосомою в момент ініціації трансляції.

З'єднання рибосоми з мРНК обумовлено комплементарним взаємодією нуклеотидів однією з рРНК з нуклеотидної послідовністю лідера мРНК.

Дальгарно) располагается на расстоянии 4-7 оснований перед кодоном АУГ и обнаруживается повсеместно в лидерных участках у прокариот. Ця послідовність (Шайна - Дальгарно) розташовується на відстані 4-7 підстав перед кодоном АУГ і виявляється повсюдно в лідерних ділянках у прокаріот.

При з'єднанні 5'-кінця мРНК з малою субчастіц рибосоми стартовий кодон зазвичай виявляється майже в середині екранованого рибосомою фрагмента мРНК, в області, що відповідає її П-ділянці.

У еукаріотів трансляція здійснюється в цитоплазмі, куди потрапляє з ядра зріла мРНК. нуклеотидов, взаимодействует с рРНК. Кооперування кінець мРНК розпізнається малої субчастіц рибосоми, потім лідируюча послідовність, що містить до 100 нуклеотидів, взаємодіє з рРНК. При цьому стартовий кодон АУГ виявляється в недобудованому П-ділянці рибосоми. Після приєднання до стартового кодону аміноацил-тРНК, що несе метіонін, відбувається возз'єднання двох субчастіц рибосоми і формуються її А - і П-ділянки. Синтез білка в клітині еукаріотичної, здійснюваний на моноцистронною мРНК, завершується після проходження рибосомою по всій мРНК, аж до впізнавання нею кодону-термінатора, який припиняє утворення пептидних зв'язків.

Посттрансляційна перетворення білків. и четвертичную организацию, образуемую несколькими пептидными цепями. Синтезовані в ході трансляції пептидні ланцюги на основі своєї первинної структури набувають вторинну і третинну, а багато хто - і четвертинну організацію, утворену кількома пептидними ланцюгами. У залежності від функцій, виконуваних білками, їх амінокислотні послідовності можуть зазнавати різні перетворення, формуючи функціонально активні молекули білка.

лидерную последовательность, которая обеспечивает him узнавание мембраны. Багато мембранні білки синтезуються у вигляді пребелков, що мають на N-кінці лідерних послідовність, яка забезпечує him впізнавання мембрани. Ця послідовність відщеплюється при дозріванні і вбудовування білка в мембрану. лидерную последовательность, которая обеспечивает их транспорт через мембрану. Секреторні білки також мають на N-кінці лідерних послідовність, яка забезпечує їх транспорт через мембрану. Деякі білки відразу після трансляції несуть додаткові амінокислотні пропоследовательності, що визначають стабільність попередників активних білків. При дозріванні білка вони видаляються, забезпечуючи перехід неактивного пробелкой в ​​активний білок. Наприклад, інсулін спочатку синтезується як препроїнсулін. Під час секреції пре-послідовність відщеплюється, а потім проінсулін піддається модифікації, при якій з нього видаляється частина ланцюга і він перетворюється на зрілий інсулін.

Транскрипция, трансляция и деградация мРНК у прокариот: Рис.4 1. Транскрипція, трансляція і деградація мРНК у прокаріот:

- РНК-полимераза связывается с ДНК и начинает синтезировать мРНК в направлении 5' → 3'; I - РНК-полімераза зв'язується з ДНК і починає синтезувати мРНК у напрямку 5 '→ 3';

по мере продвижения РНК-полимеразы к 5'-концу мРНК прикрепляются рибосомы, начинающие синтез белка; II - у міру просування РНК-полімерази до 5'-кінця мРНК прикріплюються рибосоми, початківці синтез білка;

- группа рибосом следует за РНК-полимеразой, на 5'-конце мРНК начинается ее деградация; III - група рибосом слід за РНК-полімеразою, на 5'-кінці мРНК починається її деградація;

процесс деградации протекает медленнее, чем транскрипция и трансляция; IV - процес деградації протікає повільніше, ніж транскрипція і трансляція;

после окончания транскрипции мРНК освобождается от ДНК, на ней продолжается трансляция и деградация на 5'-конце V - після закінчення транскрипції мРНК звільняється від ДНК, на ній триває трансляція і деградація на 5'-кінці

Формуючи третинну і четвертинну організацію в ході посттрансляційних перетворень, білки набувають здатність активно функціонувати, включаючись у визначені клітинні структури і здійснюючи ферментативні та інші функції.

Розглянуті особливості реалізації генетичної інформації в про - і еукаріотичних клітинах виявляють принципову подібність цих процесів. Отже, механізм експресії генів, пов'язаний з транскрипцією і наступною трансляцією інформації, яка зашифрована за допомогою біологічного коду, склався в цілому ще до того, як були сформовані ці два типи клітинної організації. Дивергентна еволюція геномів про - та еукаріотів призвела до виникнення відмінностей в організації їхнього спадкового матеріалу, що не могло не відбитися і на механізмах його експресії.

Постійне вдосконалення наших знань про організацію та функціонування матеріалу спадковості і мінливості зумовлює еволюцію уявлень про ген як функціональної одиниці цього матеріалу.