АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Гени, будова нуклеїнових кислот, генетичний код, геном, транскрипція та трансляція; реплікація, репарація.

Ген - структурна і функціональна одиниця спадковості, що контролює розвиток певної ознаки чи властивості. Сукупність генів батьки передають нащадкам під час розмноження.

На сьогодні, в молекулярній біології встановлено, що гени - це ділянки ДНК, що несуть будь-яку цілісну інформацію - про будову однієї молекули білка або однієї молекули РНК. Ці та інші функціональні молекули визначають ріст і функціонування організму.

У той же час, кожен ген характеризується низкою специфічних регуляторних послідовностей ДНК, таких як промотори, які беруть безпосередню участь в регулюванні прояви гена. Регуляторні послідовності можуть перебувати як у безпосередній близькості від відкритої рамки зчитування, котра кодує білок, або початку послідовності РНК, як у випадку з промоторами (так звані cis-регуляторні елементи, англ. Cis-regulatory elements), так і на відстані багатьох мільйонів пар основ (нуклеотидів), як у випадку з енхансерами, інсуляторами і супресорами (іноді класифікуються як trans-регуляторні елементи, англ. trans-regulatory elements). Таким чином, поняття гена не обмежене тільки кодованою ділянкою ДНК, а являє собою більш широку концепцію, що включає в себе і регуляторні послідовності.

Властивості генів:
1. дискретність – гени не змішуються;
2. стабільність - здатність зберігати структуру;
3. лабільність - здатність багаторазово мутувати;
4. множинний алелізм - багато генів існують в популяції в безлічі молекулярних форм;
5. алельність — в генотипі диплоїдних організмів лише дві форми гена;
6. специфічність - кожен ген кодує свій продукт;
7. плейотропія - множинний ефект гена;
8. експресивність - ступінь вираженості гена в ознаці;
9. пенетрантність - частота прояву гена в фенотипі;
10. ампліфікація - збільшення кількості копій гена.

Нуклеїнові кислоти — складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Природні нуклеїнові кислоти — ДНК і РНК — виконують у всіх живих організмах роль передачі і експресії генетичної інформації. Цей термін був введений Рихардом Альтманом. Вперше їх виявлено в ядрі клітини, звідки й походить назва цих сполук (від лат. Нуклеус — ядро). Молекула нуклеотиду складається із залишків нітрогенвмісного гетероциклу (азотистої основи), п'ятивуглецевого моносахариду (пентози) і фосфатної кислоти. Розрізняють два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнову (РНК). До складу ДНК входить залишок пентози дезоксирибози, до складу РНК — рибози.

Генети́чний код — набір правил розташування нуклеотидів в молекулах нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), що надає всім живим організмам можливість кодування амінокислотної послідовності білків за допомогою послідовності нуклеотидів.

У ДНК використовується чотири нуклеотиди — аденін (А), гуанін (G), цитозин (С) і тімін (T), які в україномовній літературі також часто позначаються буквами А, Г, Ц і Т відповідно. Ці букви складають «алфавіт» генетичного коду. У РНК використовуються ті ж нуклеотиди, за винятком тіміну, який замінений схожим нуклеотидом, — урацилом, який позначається буквою U (або У в україномовній літературі). У молекулах ДНК і РНК нуклеотиди складають ланцюжки і, таким чином, інформація закодована у вигляді послідовності генетичних «букв».

Властивості генетичного коду:

Триплетність — три послідовно розміщені нуклеотиди кодують одну з 20 амінокислот, які разом утворюють триплет, або кодон.

Безперервність — кодони не розділяються між собою, тобто інформація зчитується безперервно. Кожний з кодонів не залежить один від одного і під час біосинтезу зчитується повністю.

Дискретність — один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох або більш кодонів.

Специфічність — кожний кодон може кодувати лише одну амінокислоту. Завдяки цьому генетичний код не перекривається.

Виродженість — одна і та же амінокислота може кодуватися декількома різними кодонами.

Колінеарність — послідовність кодонів нуклеотидів точно відповідає послідовності амінокислотних залишків у поліпептиді

Наявність термінальних кодонів — беззмістовних, або стоп-кодонів, які не здатні кодувати амінокислоти. Вони виконують функцію роздільника між двома ланцюгами кодонів та переривають синтез поліпептиду.

Універсальність — єдиний генетичний код є, практично, однаковим в організмах різного рівня складності — від вірусів до людини (хоча існують кілька інших, менш поширених варіантів генетичного коду.

Геном людини - сукупність всіх генівлюдського організму, його повний хромосомний набір. Організація геному кожного еукаріотичного виду являє собою послідовну ієрархію елементів: нуклеотидів, кодонів, доменів, генів з межгеннимі ділянками, складних генів, плечей хромосом, хромосом, гаплоїдного набору разом з позахромосомних і позаядерної ДНК. В еволюційному перетворенні генома кожен з цих ієрархічних рівнів міг вести себе абсолютно дискретно (змінюючись, комбінуючи з іншими і т.д.).

У нормальній ситуації в більшості клітин людини повинно бути присутнім 46 хромосом: 44 з них не залежать від статі (аутосомні хромосоми), а дві - Х-хромосома і Y-хромосома - визначають стать (XY - у чоловіків чи ХХ - у жінок), ці 46 хромосом складають один геном. Хромосомив загальній складності містять приблизно 3 мільярди пар основ нуклеотидів ДНК, у яких за оцінками міститься 20000-25000 генів.
Геном людини містить тільки 1,5% послідовностей, які несуть в собі інформацію про білки, решта 97% такої функцією не володіють і виступають так званим баластом або «сміттєвою ДНК».

Міжнародна програма "Геном людини" була сформульована на початку 90-х років XX ст. Внаслідок копіткої роботи до початку 2003 р. геном людини повністю секвенований, тобто повністю прочитана послідовність трьох мільярдів пар основ, з яких побудована ДНК всіх 23 пар хромосом людини. Генетична довжина геному людини складає 3000 сМ (сантиморганіда, генетична відстань, яка дорівнює 1 % кросинговеру). Розв'язання програми "Геном людини" сприяло створенню генетичної карти, відтворенню цитогенетичної карти геному і власне секвенсу

Генетична карта передбачає встановлення послідовності розміщення генетичних маркерів з відстанню не більше 1 см вздовж усіх хромосом. Така генетична карта дозволяє картувати будь-який ген, встановити відносну відстань між локусами.

Винятковим успіхом програми "Геном людини" було створення інтегральних (фізичних) карт геному.

Картовано близько 40000 кодуючих послідовностей. Загальне число генів, очевидно, складатиме 30500-40000.

На сьогодні весь геном людини клонований у вигляді великих фрагментів, які перекривають один одного. Розташування кожного з цих фрагментів на хромосомі визначено з високою точністю.

Термін клонування означає, що ген картований, виділений, вивчена його структура, знайдена мутація, яка викликає те чи інше захворювання.

Розкриття геному людини сприятиме розвитку нових напрямків медицини, вивченню природи спадкових і злоякісних хвороб, розробці генної і клітинної терапії.

Транскрипція — процес синтезу РНК з використанням ДНК як матриці, що відбувається у всіх живих клітинах, іншими словами, це перенесення генетичної інформації з ДНК на РНК.

У разі ДНК, що кодує білок, транскрипція є першим кроком біосинтезу білків, процесу, який кінець кінцем приводить до перекладу генетичного коду, через мРНК як проміжної ланки, у поліпептидну послідовність функціонального білка.

У результаті транскрипції утворюються всі види РНК: матричні, рибосомні, транспортні, малі ядерні та ін. Зрозуміло, що для кожного з видів РНК існують свої власні гени. Каталізатором синтезу РНК є фермент РНК-полімераза. Прокаріоти мають один вид цього ферменту, що каталізує утворення всіх видів РНК, а в еукаріотів кожен вид РНК синтезується окремою специфічною РНК-полімеразою. Основний фермент транскрипції являє собою білок з четвертинною структурою, що складається з декількох субодиниць. Отже, РНК-полімераза здатна розпізнавати на ДНК ділянки початку транскрипції, локально розплавляти (розплітати) ланцюжки молекули ДНК і вбудовуватися між ними. Процес транскрипції полягає в синтезі молекули РНК, комплементарної одному з ланцюгів ДНК (рис. 54). Утворену молекулу РНК називають первинним транскриптом. Гени еукаріотичних організмів улаштовано досить складно. У них є ділянки, що кодують ділянки білкових молекул (екзони), і ділянки, що не кодують їх (інтрони). Під час транскрипції всі ділянки копіюються в первинний транскрипт. Саме тому він не придатний для подальшого використання відразу після синтезу. Його підготовка здійснюється через низку реакцій, що отримали назву дозрівання РНК, або процесинг. Головною подією процесингу є сплайсинг — вирізання інтронів і зшивання екзонів (рис. 55). Сплайсинг необхідний для нормального синтезу білків, а саме для того, щоб у білкову молекулу включалися лише потрібні амінокислоти, без якихось нонсенс-вставок. У сплайсингу беруть участь ферменти ендонуклеази, що розрізають молекулу гяРНК у місцях з’єднання екзонів та інтронів і вирізують останні. Для впізнавання цих місць в ядрі є набір малих ядерних РНК (мяРНК), що працюють як адаптори для молекул ферментів. Сплайсинг повинен відбуватися з абсолютною точністю, інакше білок, синтезований на дефектній матриці, буде нездатним виконувати свою функцію.

Трансляція — процес синтезу білків з амінокислот, що каталізується рибосомою на матриці матричної(інформаційної) РНК (мРНК або іРНК). Трансляція є однією зі стадій процесу біосинтезу білків, у свою чергу частини процесу експресії генів.

Трансляція відбувається в цитоплазмі, де знаходяться рибосоми клітини. Під час трансляції, інформація, що міститься в мРНК, розшифровується згідно з правилами, відомими як генетичний код, та використовується для синтезу закодованої поліпептидної послідовності. Процес трансляції можна поділити на чотири фази: активацію, ініціацію, елонгацію та термінацію.

При активації, відповідна амінокислота (аа) приєднується до відповідної транспортної РНК (тРНК). Хоча ця стадія часто розглядається окремо від трансляції, вона необхідна для її початку. Зв'язана з амінокислотою тРНК називається аміноацил-тРНК або «зарядженою» тРНК. При ініціації мала субодиниця рибосоми зв'язується з 5'-кінцем мРНК за допомогою факторів ініціації (IF), інших білків, що допомагають процесу. Елонгація відбувається, коли чергова аміноацил-тРНК використовується для збільшення поліпептидного ланцюжка. Термінація відбувається, коли рибосома зустрічає стоп-кодон (UAA, UAG або UGA), для якого не існує відповідної тРНК, при цьому відбувається звільнення поліпептидного ланцюжка.

Унікальна властивість молекули ДНК подвоюватися перед поділом клітини називається реплікацією. Ця властивість зумовлена особливістю будови молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. Реплікація відбувається в ядрі під час Б-періоду інтерфази. На цей час хромосоми під світловим мікроскопом не виявляються.

Реплікація ДНК - найважливіший молекулярний процес, що є в основі всіх різновидів поділу клітин, усіх типів розмноження, а, значить, в основі забезпечення тривалого існування окремих індивідуумів, популяцій і всіх видів живих організмів. Для кожного виду дуже важливо підтримувати сталість свого генотипу та фенотипу, а значить, зберігати незмінність нуклеотидної послідовності генетичного коду. Для цього необхідно абсолютно точно відтворювати молекули ДНК перед кожним поділом клітини, тобто основне функціональне значення реплікації - забезпечення нащадка стабільною генетичною інформацією розвитку, функціонування і поведінки.

Репарація ДНК (від англ. DNA repair — «ремонт ДНК») — набір процесів, за допомогою яких клітина знаходить і виправляє пошкодження молекул ДНК, які кодують її геном. У клітинах всіх організмів, зокрема людини, як нормальна метаболічнаактивність, так і зовнішні фактори, такі як ультрафіолетове випромінювання, можуть викликати пошкодження ДНК, приводячи у людини до 1 мільйона індивідуальних молекулярних пошкоджень на клітину за день. Багато з цих пошкоджень заподіює структурні пошкодження молекулі ДНК і може впливати натранскрипцію генів клітини, або навіть повністю запобігати їй. Деякі пошкодження викликають потенційно шкідливімутації в геномі клітин, які впливають на виживання клітини або її дочірніх клітин після мітозу. Тому процеси репарації ДНК повинні бути постійно активними, оскільки вони мають швидко відповідати на будь-які пошкодження структури ДНК.

Ефективність репарації ДНК залежить від багатьох факторів, зокрема типу клітини, її віку та оточення. Клітини, що накопичили велику кількість пошкоджень ДНК або не мають більше можливостей до репарації, можуть піти одним з трьох можливих шляхів: перейти до незворотного статичного стану або клітинного старіння, піддатися апоптозуабо альтруїстичному самогубству, або продовжити ділитися і стати першою клітиною ракової пухлини.

Репарація ДНК життєво важлива для підтримки цілісності геному і тому для нормального функціонування організму. Багато генів, які, як було показано, впливають на тривалість життя, пізніше виявилися залученими в репарацію і захист ДНК. Нездатність виправлення деяких молекулярних пошкодженьгенеративних клітин можуть ввести мутації в геном нащадків і таким чином впливають на швидкість еволюції.

Порушення ДНК бувають декілька різних типів. Це можуть бути одноланцюгові, дволанцюгові розриви молекули ДНК, піримідинові димери, модифікації нуклеотидів, найчастішими з яких є алкілування азотистих основ, метилювання чи етилування O- та N-атомів нуклеотидів. В залежності від типу порушень механізми їх репарації відрізняються.

12.Структурно-функціональна організація клітини. Клітина (cellula, cytus) — елементарна одиниця живого, яка здійснює передачу генетичної інформації шляхом самовідтворення. Кожна клітина представляє складну систему біополімерів, що містить ядро і цитоплазму, з розташованими в ній органелами, укладеними в клітинну оболонку — цитолему (плазмалему).Клітини діляться на прокаріотичні і еукаріотичні. Перші - це водорості і бактерії, які містять генетичну інформацію в одній єдиній органел, - хромосомі, а еукаріотичні клітини, що складають більш складні організми, такі як людське тіло, мають чітко диференційоване ядро, в якому знаходиться кілька хромосом з генетичним матеріалом.

Цитоплазма клітини складається із водянистої основної речовини — гіалоплазми, у якій розташовані органели, нитки цитоскелету та (інколи) клітинні включення.

Гіалоплазма або основна речовина цитоплазми приблизно на 90% складається з води, в якій розчинені всі основні біомолекули: солі, цукри, амінокислоти, нуклеотиди, вітаміни і гази утворюють істинний розчин, тоді як великі молекули, зокрема білки, перебувають у колоїдному розчині. У гіалоплазмі відбувається велика кількість метаболічних процесів, зокрема гліколіз. Вона може змінювати свої властивості, переходячи зі стану золю до стану густішого гелю. Спостерігаючи за живою цитоплазмою клітини, зазвичай, можна помітити, що вона рухається. Найкраще видно рух мітохондрій і пластид, це явище називають циклозом.

Ядро (лат. Nucleus) — клітинна органела, знайдена у більшості клітин еукаріотів, містить ядерні гени, які складають більшу частину генетичного матеріалу. Ядро має дві первинні функції: керування хімічними реакціями в межах цитоплазми і збереження інформації, потрібної для поділу клітини.

Окрім клітинного геному, ядро містить певні білки, які регулюють зчитування генетичної інформації. Зчитування гена на ядерному рівні залучає складні процеси транскрипції, обробки первинної мРНК і експорт зрілої мРНК до цитоплазми.

Ядро оточено подвійною мембраною, яка називається ядерною оболонкою. Крізь внутрішню і зовнішню мембрани на деяких інтервалах проходять ядерні пори. Ядерна оболонка регулює і полегшує транспортування між ядром і цитоплазмою, відокремлюючи хімічні реакції, що відбуваються в цитоплазмі, від реакцій, що трапляються в межах ядра. Зовнішня мембрана безперервна з гранулярним ендоплазматичним ретикулумом (англ. RER) і може мати зв'язані рибосоми. Простір між двома мембранами (який називається «перинуклеарним простором») безперервний з люменом RER. Ядерна сторона ядерної оболонки оточена мережею проміжних філаментів, яка називається ядерною ламіною.

Внутрішня частина ядра містить одне або декілька ядерець, оточених матрицею, яка називається нуклеоплазмою. Нуклеоплазма (каріолімфа, ядерний сік, каріоплазма) — гелеподібна рідина (подібна у цьому відношенні до цитоплазми), в якій розчинені багато речовин. Ці речовини включають нуклеотид-трифосфати, сигнальні молекули, ДНК, РНК та білки (ензими та філаменти).

Генетичний матеріал присутній в ядрі у вигляді хроматину, або комплексу білка і ДНК. ДНК присутня як цілий ряд дискретних молекул, відомих як хромосоми.

Органели - це структури клітини, що виконують певні життєво важливі функції. Розрізняють органели загального значення і спеціальні, мембранні та немембранні. Органели загального значення присутні в усіх клітинах, а органели спеціального значення зустрічаються в спеціалізованих клітинах.

Мембранні органели - це замкнуті поодинокі або пов'язані один з одним ділянки цитоплазми, відокремлені від гіалоплазми мембранами. До мембранних органел відносять ендоплазматичну мережу, комплекс Гольджі, мітохондрії, лізосоми, пероксисома.

Мітохондрії - це органели округлої або видовженої форми, розподілені по всій цитоплазмі, що містять водянистий розчин ферментів, здатні здійснювати численні хімічні реакції, наприклад клітинне дихання. За допомогою цього процесу вивільняється енергія, яка необхідна клітці для виконання її життєвих функцій. Мітохондрії знаходяться в основному в найбільш активних клітинах живих організмів: клітинах підшлункової залози та печінки.

Рибосоми - це клітинні органели діаметром близько 150 ангстрем, які прикріплені до оболонок ендоплазматичного ретикулума або вільно розміщуються у цитоплазмі. Вони складаються з двох підодиниць: велика підодиниця складається з 45 молекул білка і 3 РНК (рибонуклеїнової кислоти) і менша підодиниця складається з 33 молекул білка і 1 РНК. Рибосоми об'єднуються в полісоми за допомогою молекули РНК і синтезують білки з молекул амінокислот.

Комплекс Гольджі складається з 5-10 плоских дисків (пластин), в якому розрізняють основний елемент — цистерну і кілька диктиосом, або скупчення цистерн. Ці діктіосоми роз'єднуються і розподіляються рівномірно під час мітозу, або поділу клітини.

Лізосоми, «шлунок» клітини, утворюються з бульбашок комплексу Гольджі: вони містять травні ферменти, які дозволяють їм перетравлювати їжу, що надходить у цитоплазму. Їх внутрішня частина, або мікус, вистелена товстим шаром полісахаридів, які перешкоджають тому, щоб ці ферменти зруйнували власний клітинний матеріал. Потужні ферменти цієї органели розщеплюють небезпечні речовини, що потрапили в клітину, наприклад бактерії, а також інші небажані субстанції та відпрацьовані органели. Розщеплені продукти виводяться через клітинну мембрану.

Ендоплазматична мережа утворена групами вакуолей або трубочок, сукупність яких нагадує мережу (сітку). Вона неоднорідна за своєю будовою. Відомі два типи ендоплазматичної мережі — зерниста і незерниста. У зернистої мережі на мембранах трубочок розташовується безліч дрібних округлих тілець — рибосом. Мембрани незернистої ендоплазматичної мережі не мають рибосом на своїй поверхні. Основна функція зернистої ендоплазматичної мережі - участь у синтезі білка. На мембранах незернистої ендоплазматичної мережі відбувається синтез ліпідів і полісахаридів.

Пероксисома - це невеликі, видовженої форми тільця, що містять ферменти, що руйнують пероксид водню (Н202), який токсичний для клітини.

Дата добавления: 2015-12-15 | Просмотры: 1196 | Нарушение авторских прав