Особливості організації генів про- та еукаріот

Будова гена прокаріотів і еукаріотів

1. Вступ.
2. Класифікація генів
3. Особливості організації генів про- та еукаріот. будова оперона
4. Будова оперона прокаріотів
5. Будова функціонуючого гена еукаріотів.

Дослідження структури гена і його експресія в даний час є одним з головних напрямків в сучасній генетиці. Але, як це часто буває при стрімкому розвитку будь-якої наукової галузі, величезний потік отриманих фактів не відразу осмислюється, виявлені суперечності не відразу вирішуються, а введена термінологія не відразу зізнається. Одне і те ж явище часом має стільки різних назв, що по ним без зусиль можна визначити число дослідників вивчали даний феномен. Приблизно таке становище складається зараз в напрямку, який з'ясовує структуру і функцію окремого гена і генома живих істот.

Зараз ми можемо реально оцінити функцію майже 90% генів в організмі людини, (див. Рис.15 і рис. 16). Виявилося, що найбільше число генів необхідно для виробництва клітинного матеріалу і для виробництва енергії в клітини. Для клітинного відтворення необхідно близько 5% генів. У формуванні

Виробництво клітинних матеріалів

Біла клітина крові Еритроцити (8)

Мал. 16. Кількість генів, що визначають розвиток і функціонування деяких органів і тканин людини.

Існує кілька класифікацій генів. Наведемо дві класифікації, якими користується більшість вчених.

а. Одна з них постулює наявність в клітці двох типів генів.

1. Конститутивні гени.

Гени загальноклітинними функцій (їх ще називають конститутивні гени або гени "домашнього господарства) постійно знаходяться в активному стані. Їх активність в малому ступені заздрості від стану зовнішнього середовища (організму), тобто практично не регулюється. Ці гени кодують білки-ферменти, що беруть участь в життєво важливих для клітини метаболічних процесах. Наприклад, таких як гліколіз, ланцюг передачі електронів, синтез ДНК, амінокислот і т.д. По суті, ці гени повністю забезпечують життєдіяльність клітини.

Гени «розкоші» контролюють строго спеціалізовані, специфічні функції клітини. Оскільки клітина є складовою частиною складного організму, а це вже вищий рівень організації живого, ніж клітина. На організмовому рівні є власні системи життєзабезпечення, розвитку, розмноження, дихання і т.д. Тому будь-яка клітина організму має підтримувати не лише свої життєві потенції (які забезпечують Гени «домашнього господарства»), але і брати участь в життєдіяльності всього організму. Останнім і займаються спеціалізовані гени. Ці гени контролюють білки, які забезпечують функціонування фізіологічних систем організму - його захисних властивостей, процесів дихання, виділення, кровопостачання, травлення і т.д.). До таких генів відносяться гени, які контролюють синтез гемоглобіну, імуноглобуліну та ін. На відміну від генів «домашнього господарства» «гени розкоші» знаходяться під жорстким контролем організму і мають складний апарат регуляції.

б. Інша класифікація генів передбачає наявність двох типів генів:

1. Структурні гени.

2. Регуляторні гени.

Обидва типи генів транскрибують різні типи РНК.

Структурні гени Всі структурні гени транскрибують кілька видів РНК - іРНК, тРНК, рРНК і т.д. Залежно від типу синтезованих (або транскрібіруемих) на них РНК вони поділяються на:

1. Гени, на яких синтезується іРНК. Таких генів близько 30 тисяч. Саме ці гени несуть інформацію про послідовність амінокислот в поліпептиди. Багато з них унікальні. Однак є гени мають копії. Як правило, число копій не перевищує двох.
2. Гени, з яких транскрибується тРНК. Ці гени не несуть інформацію про структуру білка. Їх функція полягає в синтезі достатньої кількості тРНК здатних забезпечити транспорт амінокислот в рибосоми для синтезу білка. Число індивідуальних тРНК - близько 50. Стільки ж і типів генів, що кодують тРНК. Однак, загальне число генів тРНК значно більше. Це пов'язано з тим, що кожен ген, що кодує тРНК, представлений не в одному екземплярі, а повторюється безліч число раз.
3. Гени, з яких транскрибируются рРНК. Ці гени, також як і попередні, не кодують структуру поліпептиду, а синтезують кілька різновидів РНК (на генах еукаріот синтезується три різновиди РНК). Однак число генів, що кодують рРНК, набагато більше трьох. Як і в попередньому випадку, це пов'язано з високою повторюваністю кожного типу гена.

Всі три типи гена об'єднує одне - всі вони є активними учасниками синтезу білка.

Чи не інформативні ділянки ДНК

Мал. 17. Схематичне розташування структурних генів в відрізку молекули ДНК хромосоми.

В одну групу ці гени об'єднує те, що вони регулюють активність структурних генів. В даний час поки немає визнаної усіма (або більшістю) дослідників класифікації цих генів. Найбільш проста класифікація поділяє всі відомі регуляторні гени на два типи:

1. Гени, з яких транскрибируются регуляторні РНК. Вони не беруть безпосередньої участі в синтезі білка, а регулюють окремі сторони цього процесу (транскрипцію, процесинг і т.д.). Так, наприклад, відносно недавно відкритий новий клас регуляторних РНК, які назвали - малі ядерні РНК (мяРНК). Ці РНК мають невеликий молекулярний вагу. Їх кілька десятків, а й з кожним роком відкриваються нові. Дивним виявилося те, що

мяРНК мають ферментативну активність і беруть участь в різноманітних генетичних процесах, наприклад в процесі дозрівання РНК. Як ферменти вони отримали назву - рибозими. Т.обр. ця група генів несе інформацію про рібозімамі.

Так з'ясовано, що РНК транскрібіруемих з гена Н19 впливає на злоякісне переродження клітин. А РНК синтезується на гені HFF бере участь в метаболізмі заліза. В останньому випадку цікаво те, що РНК синтезується одночасно на обох нитках гена (на смисловий і антисмислової). Рибозим, синтезований на смисловий нитки, регулює синтез мРНК, яка транскрибується з протилежної (антисмислової) нитки.

1. Гени, які несуть інформацію про структуру регуляторного білка. На них транскрибується іРНК. Цим вони схожі на структурні гени. Однак, є одна істотна відмінність - на цих генах кодується інформація про регуляторному білку, який бере участь в регуляції активності різних генетичних процесів (транскрипції, трансляції, реплікації, репарації та т.д.) протікають в клітині. Ці білки здатні взаємодіяти з регуляторними областями ДНК (наприклад з оператором) або зв'язуватися з РНК або ДНК-полімеразою. Білки носять різні назву, наприклад фактори транскрипції, трансляції, термінації та ін.

На відміну від цього іРНК транскрібіруемих на структурному гені контролює синтез білка, який є учасником клітинного метаболізму виступаючи в ролі ферменту, будівельного білка, білка-переносника і т.д. але ніяк не білка-регулятора.

В даний час деякі дослідники в цю ж групу відносять ділянки ДНК, на яких осідають регуляторні білки.

Наприклад, до таких генам вони відносять промотор (на ньому осідає РНК-полімераза), оператор (на ньому осідають регуляторні білки), термінатор (в деяких випадках на ньому осідає білки припиняють синтез іРНК) і т.д.

Особливості організації генів про- та еукаріот. будова оперона

Практично будь-який ген несе інформацію про будову будь-якої РНК. Ця інформація закодована в певній послідовності триплетів. Однак сам ген функціонувати практично не може.

Необхідний цілий ряд додаткових структур, зон або ділянок, які не тільки включають і вимикають роботу гена, але і змінюють інтенсивність його роботи в залежності від потреб організму. До таких структур належить безліч різноманітних послідовностей ДНК, які до теперішнього часу не мають загальновизнаної класифікації. Ми будемо дотримуватися найбільш простий (але далеко не повною) класифікації. По ній додаткові структури підрозділяються на два типи - регуляторні зони і регуляторні гени. Регуляторні зони це ділянки ДНК на яких не відбувається синтез РНК, але які служать місцем зв'язування різних білків (або РНК). Ці послідовності часто називають регуляторними зонами, (або регуляторні області, елементи, структури, ділянки і ін.). На регуляторних генах транскрибується якась РНК. Ця РНК може не кодувати білок, а осідати на регуляторної зоні гена. Але може і нести інформацію про будь-якому Белеку, тоді з регуляторної зоною зв'язується кодується РНК білок.

Таким чином, в даний час більшість вчених приходить до думки, що найменшою функціональної областю в ДНК є сукупність складається з структурного гена, регуляторних зон і регуляторних генів.

Сам ген являє в основному кодує частина ДНК. Відразу ж обмовимося, що у різних генів регуляторні області різні не тільки за будовою, розміром та іншими параметрами, але і відрізняються по просторовому положенню щодо гена (або генів), функцію якого вони курирують. Зрозуміло, що розглянути будову всіх відомих генів і їх регуляторних областей з усіма індивідуальними особливостями в нашому посібнику неможливо. Тому наведемо структуру якогось гіпотетичного гена і його регуляторних областей, позначивши у них ті ділянки, які найбільш часто зустрічаються.

Крім того, ми розглянемо будову не всіх структурних генів, а тих, з яких транскрибується мРНК, що несе інформацію про структуру білка. Це важливо пам'ятати, тому що будову інших генів (з яких транскрибируются тРНК, рРНК або регуляторних генів дещо інше).