КОЛЛОКВИУМ 2

Что такое х-сцепленное наследование?

Х-хромосома содержит многие из генов, которые очень важны для роста и развития организма. Y-хромосома намного меньше по размеру и содержит меньше генов. Как известно, у женщин две Х-хромосомы (ХХ), поэтому в случае, если одна копия гена на Х-хромосоме изменена, то нормальная копия на второй Х-хромосоме может компенсировать функцию измененной. В этом случае женщина, как правило, является здоровой носительницей Х-сцепленного заболевания. Носителем называют человека, у которого отсутствуют признаки заболевания, но имеется измененная копия гена. В некоторых случаях у женщин могут присутствовать умеренно выраженные проявления заболевания.

У мужчин присутствуют одна Х и одна Y хромосомы, поэтому в случае, когда одна копия гена на Х-хромосоме изменена, нормальная копия гена для компенсации функции отсутствует. Это означает, что такой мужчина будет болен. Заболевания, которые наследуются вышеописанным образом, называются Х-сцепленными рецессивными. Примерами таких заболеваний являются гемофилия, мышечная дистрофия Дюшенна и синдром фрагильной Х-хромосомы.

Х-сцепленное доминантное наследование

Большинство Х-сцепленных заболеваний являются рецессивными, однако в редких случаях Х-сцепленные заболевания наследуются как доминантные. Это означает, что если у женщины будет одна измененная и одна нормальная копии гена, то этого будет достаточно, чтобы заболевание проявилось. Если мужчина унаследовал измененную копию гена Х-хромосомы, то у него проявится заболевание, так как у мужчин только одна Х-хромосома. У больных женщин вероятность рождения больного ребенка составляет 50% (1 из 2), и она одинакова для дочерей и сыновей. У больного мужчины все дочери будут больны, а все сыновья будут здоровы.

12Ген (от греч. génos — род, происхождение) - элементарная единица наследственности, представляющая собой отрезок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК (у некоторых вирусов — рибонуклеиновой кислоты — РНК). По химическому составу – это нуклеиновые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и фосфор. Было доказано, что гены расположены в хромосомах, но их молекулярная структура долгое время оставалась неизвестной. В крупных организмах общее их количество может достигать многих миллиардов. По своему уровню ген – внутриклеточная молекулярная структура, а по назначению – «мозговой центр» клетки и всего организма. Один и тот же ген может влиять на формирование ряда признаков организма (множественное действие генов), это характерно для большинства генов. Выражение ген зависит также от внешних условий, влияющих на все процессы реализации генотипа в фенотип. Ген представляет собой элементарную единицу функции наследственного материала. Это означает, что фрагмент молекулы ДНК, соответствующий отдельному гену и определяющий, благодаря содержащейся в нем биологической информации, возможность развития конкретного признака, является далее неделимым в функциональном отношении. Под признаком понимают единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности (прерывности) организмов, т.е. отдельное качество или свойство, по которому они отличаются друг от друга. Большинство особенностей организмов или клеток относится к категории сложных признаков, формирование которых требует синтеза многих веществ, в первую очередь, белков со специфическими свойствами - ферментов, иммунопротеинов, структурных, сократительных, транспортных и других белков. Проще говоря, единственный вид молекул в клетке, которые гарантируют нашу индивидуальность, - это ДНК. В основе человека, как и любого другого организма, лежат два набора генов. Один из них передается по наследству от матери, другой - от отца. Каждый набор генов содержит информацию о видовой принадлежности (в данном случае, что мы - люди, а не животные), расовой, национальной и индивидуальной. В процессе развития человека его набор генов (генотип) взаимодействует со средой, в результате реализуется фенотип, то есть внешний вид человека. Гены в клетках всех организмов, включая человека, не только хранят информацию, но и работают: удваиваются, меняют свое расположение в хромосомах (рекомбинируют). И хотя все эти процессы протекают удивительно аккуратно и точно, тем не менее, иногда происходят ошибки - мутации. Все это лежит в основе нормальной естественной изменчивости генетического аппарата клеток. Доказательство реального существования генов было получено основоположником генетики Менделем в 1865 при изучении гибридов растений, исходные формы которых различались по одному, двум или трём признакам. Мендель пришёл к заключению, что каждый признак организмов должен определяться наследственными факторами, передающимися от родителей потомкам с половыми клетками, и что эти факторы при скрещиваниях не дробятся, а передаются как нечто целое и независимо друг от друга. После менделевского обнаружения существования наследственных факторов, впоследствии названных генами, появилась новая наука – генетика, которая как раз на это и опирается. Код, или шифр,- это система символов для перевода одной формы информации в другую. Генетический код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в информационной РНК. Насколько важна именно последовательность расположения одних и тех же элементов (четырех нуклеотидов в РНК) для понимания и сохранения смысла информации, можно убедиться на простом примере: переставив буквы в слове код, мы получим слово с иным значением - док. Какими же свойствами обладает генетический код?

1. Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то 16 из 20 аминокислот остались бы не зашифрованы. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из четырех нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется два нуклеотида). Природа создала трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой (4*4*4=64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот и, казалось бы, 44 кодона являются лишними. Однако это не так.

2. Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от двух до шести). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом. (Это видно из таблицы генетического кода .) Тот факт, что метионин кодируется одним триплетом АУТ, имеет особый смысл, который вам станет понятен позже ( 16 ).

3. Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию о бета-цепи гемоглобина , триплет ГАА или ГАГ, I стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид в этом триплете заменен на У. Как видно из таблицы, триплеты ГУА или ГУГ, которые в этом случае образуются, кодируют аминокислоту валин. К чему приводит такая замена, вы уже знаете из раздела о ДНК .

4. Между генами имеются "знаки препинания". В печатном тексте в конце каждой фразы стоит точка. Несколько связанных по смыслу фраз составляют абзац. На языке генетической информации таким абзацем являются оперон и комплементарная ему и-РНК. Каждый ген в опероне кодирует одну полипептидную цепочку - фразу. Так как в ряде случаев по матрице и-РНК последовательно создается несколько разных полипептидных цепей, они должны быть отделены друг от друга. Для этого в генетическом коде существуют три специальные триплета - УАА, УАГ, УГА, каждый из которых обозначает прекрдщение синтеза одной полипептидной цепи. Таким образом, эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена. Внутри гена нет "знаков препинания". Поскольку генетический код подобен языку, разберем это свойство на примере такой составленной из триплетов фразы: жил был кот тих был сер мил мне тот кот. Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие "знаков препинания. Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица: илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от Нарушение смысла возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который будет считываться с такого испорченного гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном.

6. Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, пшеницы и хлопка, рыб и червей, лягушки и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) – это однонитевой биополимер, в качестве мономеров которого выступают нуклеотиды. Матрицей для синтеза новых молекул РНК являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (транскрипция РНК). Хотя в ряде случаев возможен и обратный процесс (образование новых ДНК на матрице РНК в ходе репликации некоторых вирусов). Также основой для биосинтеза РНК могут быть другие молекулы рибонуклеиновой кислоты (репликация РНК). В транскрипции РНК, происходящей в ядре клетки, участвует целый ряд ферментов, наиболее значимым из которых является РНК-полимераза. Структура РНК

Молекула имеет однонитевое строение. Полимер. В результате взаимодействия нуклеотидов друг с другом молекула РНК приобретает вторичную структуру, различной формы (спираль, глобула и т.д.). Мономером РНК является нуклеотид (молекула, в состав которой входит азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и сахар (пептоза)). РНК напоминает по своему строению одну цепь ДНК. Нуклеотиды, входящие в состав РНК: гуанин, аденин, цитозин, урацил. Аденин и гуанин относятся к пуриновым основаниям, цитозин и урацил к пиримидиновым. В отличие от молекулы ДНК, в качестве углеводного компонента рибонуклеиновой кислоты выступает не дезоксирибоза, а рибоза. Вторым существенным отличием в химическом строении РНК от ДНК является отсутствие в молекуле рибонуклеиновой кислоты такого нуклеотида как тимин. В РНК он заменён на урацил. Функции РНК различаются в зависимости от вида рибонуклеиновый кислоты. 1) Информационная РНК (и-РНК). Иногда данный биополимер называют матричной РНК (м-РНК). Данный вид РНК располагается как в ядре, так и в цитоплазме клетки. Основное назначение – перенос информации о строении белка от дезоксирибонуклеиновой кислоты к рибосомам, где и происходит сбор белковой молекулы. Относительно небольшая популяция молекул РНК, составляющая менее 1% от всех молекул. 2) Рибосомная РНК (р-РНК). Самый распространенный вид РНК (около 90% от всех молекул данного вида в клетке). Р-РНК расположена в рибосомах и является матрицей для синтеза белковых молекул. Имеет наибольшие, по сравнению с другими видами РНК, размеры. Молекулярная масса может достигать 1,5 миллионов кДальтон и более. 3) Транспортная РНК (т-РНК). Расположена, преимущественно, в цитоплазме клетки. Основное назначение- осуществление транспорта (переноса) аминокислот к месту синтеза белка (в рибосомы). Транспортная РНК составляет до 10% от всех молекул РНК, располагающихся в клетке. Имеет наименьше, по сравнению с другими РНК- молекулами, размеры (до 100 нуклеотидов). 4) Минорные (малые) РНК. Это молекулы РНК, чаще всего с небольшой молекулярной массой, располагающиеся в различных участках клетки (мембране, цитоплазме, органеллах, ядре и т.д.). Их роль до конца не изучена. Доказано, что они могут помогать созреванию рибосомной РНК, участвуют в переносе белков через мембрану клетки, способствуют редупликации молекул ДНК и т.д. 5) Рибозимы. Недавно выявленный вид РНК, принимающие активное участие в ферментативных процессах клетки в качестве фермента (катализатора). 6) Вирусные РНК. Любой вирус может содержать только один вид нуклеиновой кислоты: либо ДНК либо РНК. Соответственно, вирусы, имеющие в своём составе молекулу РНК, получили название РНК-содержащие. При попадании в клетку вируса данного типа может происходить процесс обратной транскрипции (образование новых ДНК на базе РНК), и уже вновь образовавшаяся ДНК вируса встраивается в геном клетки и обеспечивает существование, а также размножение возбудителя. Вторым вариантом сценария является образование комплиментарной РНК на матрице поступившей вирусной РНК. В этом случае, образование новых вирусных белков, жизнедеятельность и размножение вируса происходит без участия дезоксирибонуклеиновой кислоты только на основании генетической информации, записанной на вирусной-РНК.

13Основные этапы транскрипции:3. Терминация. РНК-полимераза движется вдоль цепи ДНК и постепенно переписывает информацию на РНК. Этот процесс завершается за достижения ферментом специфической нуклеотидной последовательности, что сигнализирует о завершении транскрипции (Терминаторы транскрипции - АТТ, АЦТ и АТЦ).

Участок молекулы ДНК, содержащей промотор, последовательность, которая транскрибируется, и термина- натора, называют гпранскриптоном. Цепь о-иРНК отделяется от матричного цепи ДНК, претерпевает процессинга и переносится в цитоплазму через поры в ядерной оболочке. Свободная от иРНК участок молекулы ДНК снова связывается водородными связями с комплементарной участком второй цепи. ДНК скручивается в спираль и приобретает исходную форму. Отдельная молекула ДНК может быть матрицей для синтеза многих копий различных молекул РНК, образуются одна за другой. Процессинг. Молекулярные механизмы, связанные с "Созреванием" различных типов РНК, называются процессингом. Они осуществляются в ядре перед выходом РНК из ядра в цитоплазму.

Биосинтез белков

Реализация наследственной информации, заключенной в генотипе организма, происходит в результате синтеза белка. Синтез белка носит матричный характер. Сами по себе аминокислоты соединиться в полипептидную цепочку не могут, для этого необходим шаблон — матрица. Матрица определяет возможность создания полипептидной цепочки, а также ее специфичность (последовательность аминокислот). Матрицей для синтеза белка служит нуклеиновая кислота. Вся эта цепь событий ДНК —> про-мРНК (предшественник мРНК) —> мРНК —> белок носит название экспрессии генов и включает: транскрипцию — синтез про-мРНК с последовательностью оснований, комплементарных (соответственных) ДНК; посттранскрипционные изменения, при которых про-мРНК перерабатывается в мРНК и переносится в цитоплазму на рибосомы; трансляцию — процесс синтеза белка с определенной последовательностью аминокислот. Рассмотрим эти процессы подробнее. План построения белка зашифрован в ДНК и находится в ядре. Между тем синтез белка осуществляется на рибосомах, которые в основном расположены в цитоплазме. Молекулы ДНК слишком велики и через поры ядра выйти не могут. Передача информации от ДНК осуществляется с помощью информационной или матричной РНК (мРНК). Этот процесс носит название транскрипции (переписывания). В клетках прокариот транскрипция начинается с того, что фермент РНК-полимераза узнает определенную последовательность нуклеотидов ДНК (промотор). Для успешного взаимодействия РНК-полимеразы с ДНК-матрицей необходима белковая субъединица сигма. Показано, что у бактерий имеется несколько генов, кодирующих разные сигма-субъединицы. Связываясь с промотором, фермент расплетает в этом участке двойную спираль ДНК. После этого ДНК-полимераза движется вдоль цепи ДНК и на одной из нитей (значащей), Как на матрице, строится и-РНК. Процесс транскрипции происходит в определенные моменты жизни клетки — именно в период между делениями (интерфаза). Транскрипция на каждом этапе жизни клетки и организма происходит лишь на части (примерно 10%) так называемых активных генов. В результате процесса транскрипции образуется РНК комплементарная, т. е. соответственная той цепочке ДНК, на которой она строится. Так, если в молекуле ДНК имеется азотистое основание гуанин, то в РНК — цитозин, и наоборот. В ДНК комплементарной парой является аденин — тимин. Однако в составе РНК тимин заменяется урацилом. Поэтому если в молекуле ДНК имеется аденин, то в молекуле РНК напротив аденина будет урацил.

20 Основные этапы транскрипции:

1. Инициация. По сигналу из цитоплазмы определенная участок двойной спирали ДНК раскручивается и разделяется на две цепи. Это происходит посредством фермента хеликазы, который связывается с ДНК. Ферменты РНК-полимеразы обеспечивают образования РНК, которые растут в длину по мере продвижения фермента вдоль нити ДНК. РНК-полимераза начинает синтезировать новую цепь у специального старт-сигнала ДНК, называется промотором, и заканчивает его у стоп-сигнала (Сигнал терминации), после чего полимераза и синтезированный готов цепь РНК отделяются друг от друга. Участок ДНК между промотором и терминатором, которая транскрибируется, называется единицей транскрипции. Молекула РНК, которая при этом образуется, называется первичным тран- скриптом или про-иРНК. Скорость полимеризации при 37 ° С составляет примерно ЗО нуклеотидов за 1 с, поэтому синтез цепи РНК длиной 5000 нуклеотидов длится около 3 мин. Один из двух цепей ДНК, на котором идет транскрипция, называется кодирующим цепью. Второй цепь ДНК называется цепью, не кодирует. Для различных белков кодировать могут как один, так и второй цепи ДНК.

2. Элонгация - процесс наращивания полинуклеотидного цепи. Соответствующие рибонуклеотиды присоединяются к матричного цепи, впоследствии объединяются друг с другом остатком фосфорной кислоты, создавая цепь РНК. Процесс катализируется РНК-полимеразой и требует присутствия ионов Mg24 или Мn2 +. Образование иРНК происходит на основе принципа комплементарности цепей ДНК и РНК и антипараллельно относительно матричного цепи ДНК. Таким образом, сформированный цепь РНК содержит азотистые основания, комплементарные основам цепи ДНК, вдоль которого они образовались. Различные типы РНК в эукариот: информационная РНК (ИРНК), рибосомальная РНК (рРНК). и транспортная РНК (тРНК) транскрибируются на различных участках (Генах) молекул ДНК.

3. Терминация. РНК-полимераза движется вдоль цепи ДНК и постепенно переписывает информацию на РНК. Этот процесс завершается за достижения ферментом специфической нуклеотидной последовательности, что сигнализирует о завершении транскрипции (Терминаторы транскрипции - АТТ, АЦТ и АТЦ).

Существовало мнение, что иРНК комплементарная строении ДНК, которая является матрицей. Выяснилось, что комплементарной ДНК является только молекула-предшественница информационной РНК (про-иРНК). Молекулы про-иРНК намного больше, чем зрелые иРНК. Последовательность азотистых оснований в молекуле о-иРНК, образовавшейся точно воспроизводит порядок чередования оснований в ДНК. Во время "созревания" информационной РНК у бактерий происходит только отщепление концов молекул, а в эукариот и некоторых вирусов этот процесс намного сложнее. Молекула про-иРНК содержит в себе ряд инертных участков (интронов), не имеющие генов. В процессе "созревания" иРНК специальные ферменты вырезают интроны и сшивают активные участки, оставшихся (Экзоны). Этот процесс называется сплайсингом. Поэтому последовательность нуклеотидов в созревшей иРНК не является полностью комплементарной нуклеотидам ДНК. В иРНК рядом могут стоять такие нуклеотиды, комплементарные которым нук- леотиды в ДНК находятся друг от друга на значительном расстоянии. Сплайсинг - очень точный процесс. Его нарушения изменяет рамку считывания при трансляции, приводит к синтезу другого пептида. Точность вырезания интронов обеспечивается распознаванием ферментов определенных сигнальных последовательностей нуклеотидов в молекуле о-иРНК.

В процессинга участвует целый ряд ферментов. Например, с помощью ферментов-рестриктаз вырезаются интронни участка, а екзонни участка остаются, сшиваются с помощью ферментов лигазы. Следовательно, молекулы иРНК или тРНК, образующиеся имеют меньшие размеры, чем их структурные гены. Например, молекулы про-иРНК имеют молекулярную массу 107 дальтон, а после процессинга она составляет 2 х 106 дальтон. Наличие интронов в генах эукариотов является универсальным явлением. В крупных генах интронов больше. Количество интронов в генах колеблется от 1 до 50. Можно предположить, что интроны являются запасом информации, что приводит изменчивость. Политическая клетка может дополнительно контролировать процессы образование белков, регулировать свою жизнедеятельность, структуру и функции

14Трансляцией (от лат. translatio — перевод) называют осуществляемый рибосомой синтез белка из аминокислот на матрице информационной (или матричной) РНК (иРНК или мРНК).

Содержание