Conceptul de genă. Gene structurale și de reglare. Genoame și distanțiere. Conceptul de genă, cod genetic Conceptul modern al structurii și funcției unei gene.

Gene- unitate structurală și funcțională a eredității organismelor vii. O genă este o secvență de ADN care specifică secvența unei anumite polipeptide sau ARN funcțional. Genele (mai precis, alelele genelor) determină caracteristicile ereditare ale organismelor care sunt transmise de la părinți la urmași în timpul reproducerii. Mai mult, unele organite (mitocondrii, plastide) au propriul lor ADN, care nu face parte din genomul organismului, ceea ce le determină caracteristicile.

Printre unele organisme, mai ales unicelulare, se găsește transferul orizontal de gene care nu este asociat cu reproducerea.

Termenul „genă” a fost inventat în 1909 de botanistul danez Vilhelm Johansen.

Studiul genelor este știința geneticii, al cărei fondator este considerat a fi Gregor Mendel, care în 1865 a publicat rezultatele cercetărilor sale privind moștenirea trăsăturilor la încrucișarea mazării. Modelele pe care le-a formulat s-au numit mai târziu Legile lui Mendel.

Nu există un consens în rândul oamenilor de știință cu privire la unghiul de a privi gena. Unii oameni de știință îl consideră o unitate informațională ereditară, iar unitatea de selecție naturală este o specie, un grup, o populație sau un individ. Alți oameni de știință, cum ar fi Richard Dawkins în cartea sa The Selfish Gene, văd gena ca unitatea de selecție naturală, iar organismul însuși ca mașină de supraviețuire genele.

În prezent, în biologia moleculară s-a stabilit că genele sunt secțiuni ale ADN-ului care poartă un fel de informații integrale - despre structura unei molecule de proteine sau a unei molecule de ARN. Acestea și alte molecule funcționale determină dezvoltarea, creșterea și funcționarea organismului.

În același timp, fiecare genă este caracterizată printr-un număr de secvențe ADN reglatoare specifice (engleză) rusă, cum ar fi promotorii, care sunt direct implicați în reglarea expresiei genei. Secvențele de reglare pot fi localizate fie în imediata apropiere a cadrului deschis de citire care codifică o proteină, fie la începutul unei secvențe de ARN, așa cum este cazul promotorilor (așa-numitii cis elemente de reglare cis), și pe distanțe de multe milioane de perechi de baze (nucleotide), ca în cazul amplificatorilor, izolatorilor și supresoarelor (uneori clasificate ca trans-elementele de reglementare, engleza. elemente trans-regulatoare). Astfel, conceptul de genă nu se limitează doar la regiunea de codificare a ADN-ului, ci este un concept mai larg care include și secvențe reglatoare.

Inițial termenul gena a apărut ca o unitate teoretică de transmitere a informaţiilor ereditare discrete. Istoria biologiei amintește disputele despre care molecule pot fi purtătoare de informații ereditare. Majoritatea cercetătorilor au considerat că numai proteinele pot fi astfel de purtători, deoarece structura lor (20 de aminoacizi) permite crearea mai multor variante decât structura ADN-ului, care este compus din doar patru tipuri de nucleotide. Mai târziu s-a dovedit experimental că este ADN-ul care include informații ereditare, care a fost exprimată ca dogma centrală a biologiei moleculare.

Genele pot suferi mutații - modificări aleatorii sau direcționate în secvența nucleotidelor din lanțul ADN. Mutațiile pot duce la o modificare a secvenței și, prin urmare, la o modificare a caracteristicilor biologice ale unei proteine sau ARN, care, la rândul său, poate duce la o funcționare generală sau locală alterată sau anormală a organismului. Astfel de mutații în unele cazuri sunt patogene, deoarece duc la boală, sau letale la nivel embrionar. Cu toate acestea, nu toate modificările secvenței de nucleotide duc la modificări ale structurii proteinei (datorită efectului degenerării codului genetic) sau la o modificare semnificativă a secvenței și nu sunt patogene. În special, genomul uman este caracterizat prin polimorfisme cu un singur nucleotide și variații ale numărului de copii. copynumbervariations), cum ar fi delețiile și dublările, care reprezintă aproximativ 1% din întreaga secvență de nucleotide umane. Polimorfismele cu un singur nucleotide, în special, definesc alele diferite ale unei singure gene.

Monomerii care alcătuiesc fiecare dintre lanțurile de ADN sunt compuși organici complecși care includ baze azotate: adenină (A) sau timină (T) sau citozină (C) sau guanină (G), zahărul pentaatomic pentoză dezoxiriboză, numită după și ADN-ul însuși, precum și restul de acid fosforic, a fost numit. Acești compuși se numesc nucleotide.

Gene și meme

Prin analogie cu genele, Richard Dawkins a inventat termenul „meme” - o unitate de informație culturală. Dacă o genă se răspândește într-un mediu chimic, folosind substanțe chimice pentru reproducere, atunci o meme se răspândește într-un mediu informațional: pe medii de stocare, în memoria umană și, de asemenea, în rețea. Așa cum genele concurează între ele pentru resurse: substanțe chimice, tot așa memele concurează pentru spațiul informațional. Din mai multe motive, pot fi observate corelații destul de puternice între distribuția spațială a genelor și a memelor.

Proprietățile genelor

2. discretitatea - nemiscibilitatea genelor;

3. stabilitate - capacitatea de a menține structura;

4. labilitate - capacitatea de a muta de multe ori;

5. alelism multiplu – multe gene există într-o populație în forme moleculare multiple;

6. alelicitatea - în genotipul organismelor diploide există doar două forme ale genei;

7. specificitate - fiecare genă codifică propria trăsătură;

8. pleiotropie - efect multiplu al unei gene;

9. expresivitate - gradul de exprimare al unei gene într-o trăsătură;

10. penetranta - frecventa de manifestare a unei gene in fenotip;

11. amplificare – creşterea numărului de copii ale unei gene.

Clasificare

În funcție de funcțiile pe care le îndeplinesc, genele sunt împărțite în

1. Gene structurale - gene care controlează sinteza proteinelor structurale sau a enzimelor

2. Gene reglatoare – gene care controlează sinteza diferitelor proteine care afectează activitatea genelor structurale. Genele reglatoare, la rândul lor, sunt împărțite în:

Genele sunt modificatori - măresc și scad activitatea genelor structurale.

Gene supresoare - suprimarea activității genelor structurale

În funcție de influența lor asupra viabilității organismelor, genele sunt împărțite în:

1 Genele letale sunt gene care duc la moartea purtătorilor lor

2. Gene sublitale - gene care duc la afectarea funcției de reproducere (sterilitatea, viabilitatea redusă sau neviabilitatea descendenților) purtătorilor acestora

3. Gene neutre – cele care nu afectează viabilitatea organismului.

Structura genelor structurale ale procariotelor și eucariotelor este specifică. La procariote, în majoritatea cazurilor, regiunea de codificare este continuă; în genele eucariote, alături de regiunile care codifică un produs specific acestei gene (polipeptidă, ARN ribozomal, ARN de transfer), există regiuni necodificatoare. Regiunile codificatoare ale genei sunt, așa cum sa menționat deja, numite exoni, iar regiunile necodificatoare sunt numite introni. Într-o genă structurală, exonii alternează cu introni. Gena pare a fi sfâșiată.
Numărul și localizarea intragenică a intronilor sunt caracteristice fiecărei gene. Dimensiunile intronilor variază (de la câteva zeci la câteva mii de perechi de nucleotide). Adesea, intronii dintr-o genă reprezintă mai multe nucleotide decât exoni. Rolul intronilor este puțin studiat. Dacă nu îndeplineau anumite funcții, nu ar fi necesare organismului, ar fi eliminate prin selecție naturală.
Studiul genei continuă. Informațiile moderne ne permit să vorbim despre o genă ca pe o secțiune a unei molecule de acid nucleic genomic care reprezintă o unitate de funcție și este capabilă să schimbe și să dobândească diferite stări prin mutație și recombinare. Aceasta este o unitate de ereditate complexă, dar integrală din punct de vedere funcțional.

Genele eucariote, spre deosebire de cele bacteriene, au o structură mozaică discontinuă. Secvențele de codificare (exoni) sunt intercalate cu secvențe necodificatoare (introni).

Informații conexe.

REGULARITĂȚI DE MOȘTENIRE LA NIVEL ORGANISMAL. TRĂCERE MONOHIBRIDĂ.

Terminologia genetică

Dintre științele biologice, genetica ocupă un loc central, deoarece studiază legile eredității și variabilității care sunt universale pentru toate ființele vii. Toate celelalte proprietăți (creștere și dezvoltare, metabolism, homeostazie etc.) depind în totalitate de substratul material al eredității - ADN.

Ereditate– proprietatea organismelor vii de a asigura continuitatea structurală și funcțională între generații, precum și caracterul specific al ontogenezei în anumite condiții de mediu. În cursul dezvoltării individuale, ereditatea determină dezvoltarea și schimbarea caracteristicilor morfologice, fiziologice, biochimice și alte caracteristici ale organismului. Continuitatea ereditară între generații garantează existența unei specii pe o anumită perioadă istorică de timp.

Pentru a determina pe deplin rolul eredității, este necesar să înțelegeți clar:

1. Organizarea structurală și funcțională a ADN-ului

2. Modele de transmitere a informațiilor ereditare atât într-o serie de generații,

și în cadrul aceluiași organism

3. Mecanisme de reglare și control al proceselor vitale celulare

și dezvoltarea individuală în general.

Variabilitate– proprietatea organismelor vii de a dobândi noi caracteristici care le deosebesc de formele lor parentale (structura și funcțiile sistemelor de organe și caracteristicile dezvoltării individuale).

Ereditatea și variabilitatea sunt două proprietăți opuse, dar interdependente ale unui organism. Unitatea elementară de ereditate și variabilitate este gena(greacă „genos” - naștere, formare). Termenul a fost propus în 1909 de V. Johansen. Gene este o secțiune a unei molecule de ADN care oferă informații despre sinteza unei polipeptide.

Principalele funcții ale ADN-ului ca purtător material al eredității sunt: stocarea, reproducerea și implementarea informațiilor ereditare.

Alături de genele nucleare localizate în cromozomi, au fost descoperiți factori de ereditate localizați în citoplasmă. Se numesc plasmogeni. S-a stabilit că plastidele mitocondriale conțin ADN. Citoplasma poate conține ADN străin de la viruși și plasmide de la bacterii. ADN-ul extranuclear se poate replica independent de ADN-ul nuclear. Moștenirea citoplasmatică are loc de-a lungul liniei materne, adică. prin citoplasma oului, deoarece spermatozoizii nu contribuie cu mitocondriile la zigot.

Criteriile pentru moștenirea citoplasmatică sunt:

Lipsa segregării mendeliane cantitative la descendenți.

incapacitatea de a detecta ambreiajul

rezultate diferite ale încrucișărilor reciproce

Genomul mitocondrial uman este reprezentat de o moleculă circulară de ADN care conține aproximativ 16,5 mii de perechi de nucleotide, care include gene r-ARN și 22 de t-ARN diferite. Există dovezi că astfel de defecte de dezvoltare precum nefuziunea arcadelor vertebrale superioare și fuziunea extremităților inferioare sunt cauzate de mutații ale genelor mitocondriale.

Schema de implementare a unei gene într-o trăsătură:

Semn - orice proprietate sau calitate (biochimică, morfologică, imunologică, clinică etc.) care permite distingerea unui organism de altul. Ansamblul tuturor caracteristicilor interne și externe ale unui organism care se dezvoltă pe baza genotipului sub influența factorilor de mediu se numește fenotip.

Genă (secțiunea unei molecule de ADN) → ARNm → proteină (enzimă) → reacții biochimice → trăsătură.

Astfel, genele determină dezvoltarea unor trăsături specifice. Deoarece în celulele somatice ale corpului toți cromozomii sunt perechi - set diploid de cromozomi, prin urmare genele sunt de asemenea împerecheate - gene alelice. Odată cu dezvoltarea teoriei cromozomiale a eredității, a devenit clar că genele alelice sunt situate în regiuni identice ale cromozomilor omologi și codifică aceeași trăsătură. O alelă determină opțiunile de dezvoltare pentru aceeași trăsătură.

Genele alelice sunt desemnate printr-o literă a alfabetului latin: dominant alela (supresivă) – capitală (A) și recesiv(suprimat) – minuscule (a).

O pereche de gene alelice poate fi aceeași (AA sau aa), apoi spun că individul homozigot pe aceasta baza. Dacă genele alelice din pereche sunt diferite (Ah) apoi un individ conform acestei trăsături heterozigot.

Proprietățile genelor:

- specificitatea(fiecare genă structurală are doar propria sa ordine inerentă de nucleotide și determină sinteza unei polipeptide specifice)

-integritate(atunci când se programează sinteza unei polipeptide, gena acționează ca o unitate indivizibilă)

-discretie(prezența subunităților - nucleotide)

-stabilitate(relativ stabil)

-labilitate(capabil de mutare)

Clasificarea genelor

Acumularea de cunoștințe despre structura, funcțiile, natura interacțiunii și alte proprietăți ale genelor a dat naștere mai multor variante de clasificare a genelor.

1. Prin localizarea genelor în structurile celulare distinge între nucleele localizate în cromozomi - nuclear genele şi citoplasmatic genele.

2. După localizarea genelor în cromozomi diferențiați gene aleliceȘi gene nonalelice(gene situate fie în loci diferiți ai aceluiași cromozom, fie în cromozomi din perechi diferite. Ele sunt de obicei responsabile pentru dezvoltarea diferitelor trăsături și sunt desemnate prin simboluri diferite).

3. După semnificaţia funcţională diferențiați gene structurale, transportă informații despre proteinele și histonele enzimatice și despre secvența nucleotidelor din diferite tipuri de ARN. Printre gene funcționale aloca gene modulatoare intensificarea sau slăbirea efectului genelor structurale (inhibitori, integratori, modificatori) și al genelor care reglează funcționarea genelor structurale ( reglementatori si operatori).

4. Prin influenţa asupra proceselor fiziologiceîn celulă se disting mortal(activitatea acestor gene este incompatibilă cu viața), letal condiționat ( reduce vitalitatea organismului) , proto-oncogene - un grup de gene care reglează diviziunea celulară normală și diferențierea celulară. Modificat prin mutație, dar se numesc forme active de proto-oncogene oncogene - capabil să stimuleze dezvoltarea celulelor tumorale , acesta din urmă poate apărea și ca urmare a scăderii activității anticogene(produșii acestor gene inhibă activitatea mitotică a celulelor, participă la repararea ADN-ului și controlează ciclul celular).

Niveluri structurale și funcționale de organizare a materialului ereditar

Nivelul genomic

Genomul numiți întregul set (gene) de material ereditar conținut în setul haploid de cromozomi ai celulelor corpului. În timpul reproducerii sexuale, genomul a două celule germinale parentale se combină în timpul fertilizării, formându-se genotip organism nou. Toate celulele somatice ale unui astfel de organism au un set dublu de cromozomi. Fiecare specie biologică este caracterizată printr-un anumit număr și structură de cromozomi, a căror totalitate constituie setul de cromozomi sau cariotip(set complet pereche de cromozomi, set diploid). Toate celulele somatice, indiferent de originea și structura lor (cu excepția celulelor anucleate diferențiate sau a celulelor poliploide), au nu numai același număr de cromozomi, ci și un set identic de gene.

O trăsătură caracteristică a unui cariotip este prezența perechilor de cromozomi omologi, în fiecare pereche un cromozom este de origine paternă, celălalt este de origine maternă. Cromozomii omologi sunt caracterizați de aceeași dimensiune și formă, precum și de o structură specifică în timpul colorării diferențiale.

În setul diploid, există autozomi (pentru om - cromozomi 1-22 perechi) și cromozomi sexuali.

Spre deosebire de celulele somatice, celulele germinale conțin un set haploid de cromozomi, care conține doar un cromozom din fiecare pereche de cromozomi. În termeni genetici, celulele germinale diferă semnificativ de celulele somatice:

1. În timpul spermatogenezei se formează două tipuri de spermatozoizi: 50% conțin cromozomul X și 50% cromozomul Y (corpul masculin la om heterogametic), în timpul oogenezei, toate ouăle conțin un cromozom X (corp feminin homogametic)

2. Celulele sexuale ale unui organism conțin diferite genomul, deoarece

Ca urmare a încrucișării, în cromozom apar noi combinații de gene non-alelice

Divergența independentă a perechilor de cromozomi (anafaza I a meiozei) duce la apariția diferitelor combinații de cromozomi neomologi în gameți.

Fuziunea aleatorie a celulelor haploide în timpul fertilizării duce nu numai la refacerea setului diploid, ci și la apariția variabilității combinative.

Încălcări ale nivelului genomic de organizare a materialului ereditar, i.e. modificările numărului de cromozomi dintr-un set diploid sau haploid se numesc mutații genomice somatice sau generative.

1. Mutațiile somatice apar ca urmare a unei încălcări a separării cromatidelor în anafaza mitozei (heteroploidie) sau a tulburărilor cariokinezei (apar celule poliploide) sau citokinezei (apar celule multinucleate).

2. Mutațiile generative apar ca urmare a unei încălcări a divergenței cromozomilor (anafaza I a meiozei) sau cromatidelor (anafaza II a meiozei) în timpul formării celulelor germinale. Cu aceste tulburări, gameții formați conțin un set haploid alterat de cromozomi.

O genă (greaca veche γένος - gen) este o unitate structurală și funcțională a eredității organismelor vii. O genă este o secvență de ADN care specifică secvența unei anumite polipeptide sau ARN funcțional. Genele (mai precis, alelele genelor) determină caracteristicile ereditare ale organismelor care sunt transmise de la părinți la urmași în timpul reproducerii. Mai mult, unele organite (mitocondrii, plastide) au propriul lor ADN, care le definește și nu face parte din genomul organismului.

În același timp, fiecare genă este caracterizată de un număr de secvențe de ADN reglatoare specifice, cum ar fi promotorii, care sunt direct implicați în reglarea expresiei genei. Secvențele de reglare pot fi localizate fie în imediata apropiere a cadrului deschis de citire care codifică o proteină sau începutul unei secvențe de ARN, ca în cazul promotorilor (așa-numitele elemente de reglare cis), fie la o distanță de multe milioane de perechi de baze (nucleotide), ca în cazul amplificatorilor, izolatorilor și supresoarelor (uneori clasificate ca elemente trans-regulatoare). Astfel, conceptul de genă nu se limitează doar la regiunea de codificare a ADN-ului, ci este un concept mai larg care include și secvențe reglatoare.

Inițial, termenul de genă a apărut ca o unitate teoretică pentru transmiterea informațiilor ereditare discrete. Istoria biologiei amintește disputele despre care molecule pot fi purtătoare de informații ereditare. Majoritatea cercetătorilor au considerat că numai proteinele pot fi astfel de purtători, deoarece structura lor (20 de aminoacizi) permite crearea mai multor variante decât structura ADN-ului, care este compus din doar patru tipuri de nucleotide. Mai târziu s-a dovedit experimental că este ADN-ul care include informații ereditare, care a fost exprimată ca dogma centrală a biologiei moleculare.

Genele pot suferi mutații - modificări aleatorii sau direcționate în secvența nucleotidelor dintr-un lanț de ADN. Mutațiile pot duce la o modificare a secvenței și, prin urmare, la o modificare a caracteristicilor biologice ale unei proteine sau ARN, care, la rândul său, poate duce la o funcționare generală sau locală alterată sau anormală a organismului. Astfel de mutații în unele cazuri sunt patogene, deoarece duc la boală, sau letale la nivel embrionar. Cu toate acestea, nu toate modificările secvenței de nucleotide duc la modificări ale structurii proteinei (datorită efectului degenerării codului genetic) sau la o modificare semnificativă a secvenței și nu sunt patogene. În particular, genomul uman este caracterizat prin polimorfisme cu un singur nucleotide și variații ale numărului de copii, cum ar fi deleții și dublări, care reprezintă aproximativ 1% din întreaga secvență de nucleotide umane. Polimorfismele cu un singur nucleotide, în special, definesc alele diferite ale unei singure gene.

Proprietățile genelor.

discretitatea - nemiscibilitatea genelor;

stabilitate - capacitatea de a menține structura;

labilitate - capacitatea de a muta în mod repetat;

alelism multiplu - multe gene există într-o populație în forme moleculare multiple;

alelicitatea - în genotipul organismelor diploide există doar două forme ale genei;

specificitate - fiecare genă codifică propria trăsătură;

pleiotropie - efect multiplu al unei gene;

expresivitate - gradul de exprimare al unei gene într-o trăsătură;

penetranță - frecvența manifestării unei gene într-un fenotip;

amplificare - creșterea numărului de copii ale unei gene.

Structura genei.

Conform conceptelor moderne, gena care codifică sinteza unei anumite proteine la eucariote este formată din mai multe elemente esențiale. În primul rând, aceasta este o zonă de reglementare extinsă care are o influență puternică asupra activității genei într-un anumit țesut al corpului într-un anumit stadiu al dezvoltării sale individuale. În continuare, direct adiacent elementelor de codificare ale genei, există un promotor - o secvență de ADN lungă de până la 80-100 de perechi de nucleotide, responsabilă de legarea ARN polimerazei care transcrie gena. În urma promotorului se află partea structurală a genei, care conține informații despre structura primară a proteinei corespunzătoare. Pentru majoritatea genelor eucariote, această regiune este semnificativ mai scurtă decât zona de reglare, dar lungimea ei poate fi măsurată în mii de perechi de nucleotide.

O caracteristică importantă a genelor eucariote este discontinuitatea lor. Aceasta înseamnă că regiunea care codifică proteina a genei constă din două tipuri de secvențe de nucleotide. Unii - exonii - sunt secțiuni de ADN care poartă informații despre structura unei proteine și fac parte din ARN-ul și proteina corespunzătoare. Alții - introni - nu codifică structura proteinei și nu sunt incluși în molecula de ARNm matur, deși sunt transcriși. Procesul de tăiere a intronilor - secțiuni „inutile” ale moleculei de ARN și exoni de splicing în timpul formării ARNm este efectuat de enzime speciale și se numește Splicing (reticulare, splicing). Exonii sunt de obicei uniți împreună în aceeași ordine în care apar în ADN. Cu toate acestea, nu absolut toate genele eucariote sunt discontinue. Cu alte cuvinte, în unele gene, precum cele bacteriene, există o corespondență completă a secvenței de nucleotide cu structura primară a proteinelor pe care le codifică. Astfel, gena eucariotă este în multe privințe asemănătoare cu operonul procariot, deși diferă de acesta într-o zonă de reglare mai complexă și extinsă și, de asemenea, prin faptul că de obicei codifică doar o singură proteină, și nu mai multe, precum operonul din bacterii.

21. O genă este o unitate funcțională a eredității. Structura moleculară a genei la procariote și eucariote. Gene unice și ADN-ul se repetă. Genele structurale. Ipoteza „1 genă - 1 enzimă”, interpretarea sa modernă.

O genă este o unitate structurală și funcțională a eredității care controlează dezvoltarea unei anumite trăsături sau proprietăți. Părinții transmit un set de gene descendenților lor în timpul reproducerii. Termenul „genă” a fost inventat în 1909 de botanistul danez Vilhelm Johansen. Studiul genelor este știința geneticii, al cărei fondator este considerat a fi Gregor Mendel, care în 1865 a publicat rezultatele cercetărilor sale privind moștenirea trăsăturilor la încrucișarea mazării. Genele pot suferi mutații - modificări aleatorii sau direcționate în secvența nucleotidelor din lanțul ADN. Mutațiile pot duce la o modificare a secvenței și, prin urmare, la o modificare a caracteristicilor biologice ale unei proteine sau ARN, care, la rândul său, poate duce la o funcționare generală sau locală alterată sau anormală a organismului. Astfel de mutații în unele cazuri sunt patogene, deoarece duc la boală, sau letale la nivel embrionar. Cu toate acestea, nu toate modificările secvenței de nucleotide duc la modificări ale structurii proteinei (datorită efectului degenerării codului genetic) sau la o modificare semnificativă a secvenței și nu sunt patogene. În special, genomul uman este caracterizat prin polimorfisme cu un singur nucleotide și variații ale numărului de copii, cum ar fi deleții și dublări, care reprezintă aproximativ 1% din secvența totală de nucleotide umane. Polimorfismele cu un singur nucleotide, în special, definesc alele diferite ale unei singure gene.

La om, ca urmare a ștergerii:

Sindromul lupului - o regiune este pierdută pe cromozomul mare 4,

Sindromul „Plânsul pisicii” - cu o deleție în cromozomul 5. Cauza: mutatie cromozomiala; pierderea unui fragment de cromozom din a 5-a pereche.

Manifestare: dezvoltare anormală a laringelui, plâns asemănător pisicii în copilărie timpurie, întârziere în dezvoltarea fizică și psihică.

Cromozomul oricărui organism, fie că este o bacterie sau un om, conține o catenă lungă și continuă de ADN de-a lungul căreia se află multe gene. Diferitele organisme diferă dramatic în ceea ce privește cantitatea de ADN care formează genomul lor. În viruși, în funcție de dimensiunea și complexitatea lor, dimensiunea genomului variază de la câteva mii la sute de perechi de nucleotide. Genele din astfel de genomuri aranjate simplu sunt situate una după alta și ocupă până la 100% din lungimea acidului nucleic corespunzător (ARN și ADN). Pentru mulți virusuri, a fost stabilită secvența completă de nucleotide ADN. Bacteriile au o dimensiune a genomului mult mai mare. E. coli are o singură catenă de ADN - cromozomul bacterian este format din 4,2x106 (gradul 6) perechi de nucleotide. Mai mult de jumătate din această cantitate constă din gene structurale, adică. gene care codifică anumite proteine. Restul cromozomului bacterian este format din secvențe de nucleotide care nu pot fi transcrise, a căror funcție nu este complet clară. Marea majoritate a genelor bacteriene sunt unice, adică. prezentat o dată în genom. Excepție fac genele pentru transport și ARN-urile ribozomale, care pot fi repetate de zeci de ori.

Genomul eucariotelor, în special al celor superioare, depășește cu mult dimensiunea genomului procariotelor și, după cum s-a menționat, ajunge la sute de milioane și miliarde de perechi de nucleotide. Numărul de gene structurale nu crește foarte mult. Cantitatea de ADN din genomul uman este suficientă pentru a forma aproximativ 2 milioane de gene structurale. Numărul real este estimat la 50-100 de mii de gene, adică. De 20-40 de ori mai puțin decât ceea ce ar putea fi codificat de un genom de această dimensiune. În consecință, trebuie să admitem redundanța genomului eucariotic. Motivele redundanței au devenit acum în mare măsură clare: în primul rând, unele gene și secvențe de nucleotide sunt repetate de multe ori, în al doilea rând, există multe elemente genetice în genom care au o funcție de reglare și, în al treilea rând, un anumit ADN nu conține gene deloc.

Genomul eucariotic este caracterizat de două caracteristici principale:

1) Repetarea secvenţelor;

2) Împărțirea după compoziție în diverse fragmente caracterizate printr-un conținut specific de nucleotide;

ADN-ul repetat constă din secvențe de nucleotide de lungime și compoziție diferite care apar de mai multe ori în genom, fie în formă repetată în tandem, fie dispersată. Secvențele de ADN care nu se repetă se numesc ADN unic. Mărimea porțiunii de genom ocupată de secvențe repetitive variază mult între taxoni. La drojdie ajunge la 20%, la mamifere se repetă până la 60% din tot ADN-ul. La plante, procentul de secvențe repetate poate depăși 80%.

După orientarea reciprocă în structura ADN-ului se disting repetări directe, inversate, simetrice, palindrome, palindrome complementare etc. Lungimea (în număr de baze) a unei unități repetate elementare, gradul de repetabilitate a acestora și natura distribuției în genom variază într-un interval foarte larg; periodicitatea repetărilor ADN-ului poate avea o structură foarte complexă, atunci când se repetă scurte. sunt incluse în cele mai lungi sau le mărginesc etc. În plus, repetările în oglindă și inversate pot fi luate în considerare pentru secvențele de ADN. Genomul uman este cunoscut în proporție de 94% Pe baza acestui material se poate trage următoarea concluzie: repetele ocupă cel puțin 50% din genom.

GENE STRUCTURALE - gene care codifică proteine celulare cu funcții enzimatice sau structurale. Acestea includ, de asemenea, gene care codifică structura ARNr și ARNt. Există gene care conțin informații despre structura lanțului polipeptidic și, în cele din urmă, proteine structurale. Astfel de secvențe de nucleotide lungi de o genă sunt numite gene structurale. Genele care determină locul, timpul și durata activării genelor structurale sunt gene reglatoare.

Genele sunt de dimensiuni mici, deși constau din mii de perechi de nucleotide. Prezența unei gene se stabilește prin manifestarea trăsăturii genei (produsul final). O diagramă generală a structurii aparatului genetic și a funcționării acestuia a fost propusă în 1961 de Jacob și Monod. Ei au propus că există o secțiune a unei molecule de ADN cu un grup de gene structurale. Adiacent acestui grup se află o regiune de 200 de perechi de nucleotide - promotorul (regiunea adiacentă ARN polimerazei dependente de ADN). Această regiune este adiacentă genei operator. Numele întregului sistem este operon. Reglarea este realizată de o genă reglatoare. Ca urmare, proteina represoare interacționează cu gena operatorului, iar operonul începe să funcționeze. Substratul interacționează cu gena cu regulatori, iar operonul este blocat. Principiul feedback-ului. Expresia operonului este încorporată ca întreg. 1940 - Beadle și Tatum au propus o ipoteză: 1 genă - 1 enzimă. Această ipoteză a jucat un rol important - oamenii de știință au început să ia în considerare produsele finale. S-a dovedit că ipoteza are limitări, deoarece Toate enzimele sunt proteine, dar nu toate proteinele sunt enzime. De obicei, proteinele sunt oligomeri - adică. există într-o structură cuaternară. De exemplu, capsula cu mozaic de tutun are mai mult de 1200 de polipeptide. La eucariote, expresia (manifestarea) genelor nu a fost studiată. Motivul sunt obstacole serioase:

Organizarea materialului genetic sub formă de cromozomi

În organismele multicelulare, celulele sunt specializate și, prin urmare, unele gene sunt dezactivate.

Prezența proteinelor histonice, în timp ce procariotele au ADN „gol”.

Proteinele histonice și non-histone participă la expresia genelor și participă la crearea structurii.

22. Clasificarea genelor: gene structurale, regulatori. Proprietățile genelor (discretitate, stabilitate, labilitate, polialelicitate, specificitate, pleiotropie).

Proprietățile genelor:

Discreteness - nemiscibilitatea genelor;

Stabilitate - capacitatea de a menține structura;

Labilitate - capacitatea de a muta în mod repetat;

Alelism multiplu - multe gene există într-o populație în forme moleculare multiple;

Alelicitatea - în genotipul organismelor diploide există doar două forme ale genei;

Specificitatea - fiecare genă codifică propria trăsătură;

Pleiotropia - efectul multiplu al unei gene;

Expresivitatea este gradul de exprimare al unei gene într-o trăsătură;

Penetranța este frecvența de manifestare a unei gene într-un fenotip;

Amplificarea este o creștere a numărului de copii ale unei gene.

23. Structura genei. Reglarea expresiei genelor la procariote. Ipoteza Operon.

Expresia genei este procesul în timpul căruia informația ereditară dintr-o genă (o secvență de nucleotide ADN) este convertită într-un produs funcțional - ARN sau proteină. Expresia genelor poate fi reglată în toate etapele procesului: în timpul transcripției, în timpul translației și în etapa modificărilor post-translaționale ale proteinelor.

Reglarea expresiei genelor permite celulelor să-și controleze propria structură și funcție și este baza diferențierii, morfogenezei și adaptării celulare. Expresia genelor este un substrat pentru schimbarea evolutivă, deoarece controlul asupra momentului, locației și cantității de expresie a unei gene poate avea un impact asupra funcțiilor altor gene din organism. La procariote și eucariote, genele sunt secvențe de nucleotide ADN. Transcripția are loc pe matricea ADN - sinteza ARN complementar. Apoi, translația are loc pe matricea ARNm - proteinele sunt sintetizate. Există gene care codifică ARN non-mesager (de exemplu, ARNr, ARNt, ARN mic) care sunt exprimate (transcrise) dar nu sunt traduse în proteine.

Studiile asupra celulelor E. coli au arătat că bacteriile au 3 tipuri de enzime:

constitutiv, prezent în celule în cantități constante indiferent de starea metabolică a organismului (de exemplu, enzimele glicolitice);

inductibile, concentrația lor în condiții normale este scăzută, dar poate crește de 100Q ori sau mai mult dacă, de exemplu, se adaugă un substrat al unei astfel de enzime în mediul de cultură celulară;

reprimat, adică enzime ale căilor metabolice, a căror sinteză se oprește atunci când produsul final al acestor căi este adăugat în mediul de creștere.

Pe baza studiilor genetice privind inducerea β-galactozidazei, care este implicată în celulele E. coli, în descompunerea hidrolitică a lactozei, Francois Jacob și Jacques Monod au formulat în 1961 ipoteza operonului, care a explicat mecanismul de control al sintezei proteinelor în procariote.

În experimente, ipoteza operonului a fost pe deplin confirmată, iar tipul de reglare propus în ea a început să fie numit control al sintezei proteinelor la nivel de transcripție, deoarece în acest caz modificarea ratei de sinteză a proteinelor se realizează datorită modificărilor în rata transcripției genelor, adică în stadiul formării ARNm.

La E. coli, ca și alte procariote, ADN-ul nu este separat de citoplasmă printr-o înveliș nuclear. În timpul procesului de transcripție, se formează transcrieri primare care nu conțin nitroni, iar mARN-urilor le lipsește un „cap” și un capăt poli-A. Sinteza proteinelor începe înainte ca sinteza matricei sale să se încheie, adică. transcrierea și traducerea apar aproape simultan. Pe baza dimensiunii genomului (4 × 106 perechi de baze), fiecare celulă de E. coli conține informații despre câteva mii de proteine. Dar, în condiții normale de creștere, sintetizează aproximativ 600-800 de proteine diferite, ceea ce înseamnă că multe gene nu sunt transcrise, adică. inactiv. Genele proteinelor ale căror funcții în procesele metabolice sunt strâns legate sunt adesea grupate împreună în genom în unități structurale (operoni). Conform teoriei lui Jacob și Monod, operonii sunt secțiuni ale moleculei de ADN care conțin informații despre un grup de proteine structurale interconectate funcțional și o zonă de reglare care controlează transcripția acestor gene. Genele structurale ale unui operon sunt exprimate în mod consecvent, fie sunt toate transcrise, caz în care operonul este activ, fie nici una dintre gene nu este „citită”, caz în care operonul este inactiv. Când un operon este activ și toate genele sale sunt transcrise, este sintetizat un ARNm policistronic, care servește ca șablon pentru sinteza tuturor proteinelor acestui operon. Transcrierea genelor structurale depinde de capacitatea ARN polimerazei de a se lega de promotorul situat la capătul de 5" al operonului înaintea genelor structurale.

Legarea ARN polimerazei de promotor depinde de prezența unei proteine represoare într-o regiune adiacentă promotorului, care este numită „operator”. Proteina represoare este sintetizată în celulă la o rată constantă și are afinitate pentru locul operator. Din punct de vedere structural, regiunile promotor și operator se suprapun parțial, astfel încât atașarea proteinei represoare la operator creează o piedică sterică pentru atașarea ARN polimerazei.

Majoritatea mecanismelor care reglează sinteza proteinelor au ca scop modificarea ratei de legare a ARN polimerazei la promotor, influențând astfel stadiul de inițiere a transcripției. Genele care sintetizează proteine de reglare pot fi îndepărtate din operonul a cărui transcripție o controlează.

Genom - totalitatea tuturor genelor unui organism; setul complet de cromozomi.

Genomul uman este genomul speciei biologice Homo sapiens. Într-o situație normală, majoritatea celulelor umane ar trebui să conțină 46 de cromozomi: 44 dintre ei nu depind de sex (cromozomi autozomici), iar doi - cromozomul X și cromozomul Y - determină sexul (XY - la bărbați sau XX - la femei) , acești 46 de cromozomi alcătuiesc un singur genom. Cromozomii conțin un total de aproximativ 3 miliarde de perechi de baze de ADN, conținând aproximativ 20.000-25.000 de gene.

Studiind mecanismele de reglare a funcției genelor, geneticienii francezi Jacob și Monod au ajuns la concluzia că există gene structurale și de reglare.

Genele structurale includ gene care controlează (codifică) structura primară a matricei, sau informație, ARN și, prin intermediul acestora, secvența de aminoacizi din polipeptidele sintetizate. Un alt grup de gene structurale este format din gene care determină secvența nucleotidelor din lanțurile polinucleotidice ale ARN-ului ribozomal și ARN-ului de transfer, adică. genele structurale sunt responsabile pentru transmiterea codului genetic de la o generație de celule la alta și, de asemenea, controlează sinteza proteinelor.

Genele reglatoare controlează sinteza unor substanțe specifice, așa-numitele proteine de legare la ADN, care reglează activitatea genelor structurale. Genele de reglare interacționează cu genele structurale și reglează toate procesele biochimice din celulă, permițându-i astfel să se adapteze la schimbările din mediu, de exemplu, modificările cantității și calității nutrienților care intră în ea. Dacă mediul pericelular este stabil, genele reglatoare le inhibă (reprima) pe cele structurale. Dacă starea mediului se schimbă, genele structurale sunt activate și contribuie astfel la adaptarea celulei la noile condiții. Jacob și Monod au numit setul de gene structurale și de reglementare un operon, iar gena responsabilă de represiune și activare - gena operatoră.

Structura genelor (hărți genetice, regiuni necodante). O hartă genetică este o diagramă a locației relative a genelor pe cromozomi, care permite să se prezică natura moștenirii trăsăturilor studiate ale organismelor. Un capăt al cromozomului este considerat zero, iar distanța de la acesta este măsurată în unități speciale (morganide).

O moleculă de ADN poate conține multe gene. O genă este o secțiune a unei molecule de ADN care ocupă o poziție strict definită pe cromozom și a cărei secvență de ADN conține informațiile necesare sintezei proteinelor. Genomul uman include, conform estimărilor aproximative, 50-100 de mii de gene, fiecare dintre ele îndeplinește o funcție specifică - codifică o proteină specifică (de exemplu, enzime sau proteine structurale ale celulei) sau o moleculă de ARN. Genele umane variază foarte mult ca mărime, de la câteva sute la câteva milioane de perechi de baze. Se știe că secvențele care codifică proteine ocupă doar aproximativ 10% din genom. Restul de 90% provin din regiuni necodificatoare. Majoritatea genelor constau din părți alternante de codificare (exoni) și necodificatoare (nitroni).

Hărți genetice cromozomii sunt alcătuiți pentru fiecare pereche de cromozomi omologi. Grupurile de ambreiaj sunt numerotate secvenţial pe măsură ce sunt descoperite. Pe lângă numărul grupului de legături, sunt indicate denumirile complete sau abreviate ale genelor mutante, distanțele lor în morganide de la unul dintre capetele cromozomului, luate ca punct zero, precum și locația centromerului. Compune Hărți genetice cromozomii este posibil doar pentru obiectele în care au fost studiate un număr mare de gene mutante. La om, din cele 23 de grupuri de legături așteptate (23 de perechi de cromozomi), doar 10 au fost identificate și un număr mic de gene sunt cunoscute în fiecare grup; cele mai detaliate hărți sunt întocmite pentru cromozomii sexuali.

Regiunile necodificatoare dintre gene se numesc distanțieri. Regiunile necodante conțin secvențe care reglează activitatea genelor. Cu toate acestea, funcția majorității ADN-ului necodificant este neclară. Principalul „material de construcție” al organismelor vii este proteinele. Celulele umane sunt capabile să sintetizeze aproximativ 100 de mii de proteine diferite. O proteină este o moleculă complexă constând din unul sau mai multe lanțuri construite din reziduuri de aminoacizi. Secvența de aminoacizi dintr-o proteină este codificată în secvența de bază a genei. Trei nucleotide consecutive reprezintă un codon, care determină ce aminoacid va fi localizat la o anumită poziție în proteină.