Ген и его роль в биосинтезе белков

В ходе реакций матричного синтеза на основании генетического кода синтезируется полипептид с наследственно обусловленной структурой. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре определенного полипептида, называется ген. Однако, ген – это не просто участок ДНК, а единица наследственной информации, носителем которой являются нуклеиновые кислоты. Установлено, что ген имеет сложную структуру. В большинстве случаев кодирующие участки (экзоны) разделены некодирующими (интронами). В то же время, благодаря альтернативному сплайсингу, деление участка ДНК на кодирующие и некодирующие оказывается условным. Некоторые участки ДНК могут перемещаться относительно друг друга – их называют мобильными генетическими элементами (МГЭ). Многие гены представлены несколькими копиями – тогда один и тот же белок кодируется разными участками ДНК. Еще сложнее закодирована генетическая информация у вирусов. У многих из них обнаружены перекрывающиеся гены: один и тот же участок ДНК может транскрибироваться с разных стартовых точек. Процесс экспрессии генов обладает гибкостью: одному участку ДНК может соответствовать несколько полипептидов; один полипептид может кодироваться разными участками ДНК. Окончательная модификация белков происходит с помощью ферментов, которые кодируются различными участками ДНК.

Общие свойства генетического кода. Отражение одних объектов с помощью других называется кодированием. Отражение структуры белков в виде триплетов ДНК называется кодом ДНК, или генетическим кодом. Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями нуклеиновых кислот и аминокислотами, входящими в состав белков. Генетический код обладает следующими основными свойствами:

1. Генетический код триплетен: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов ДНК и соответствующим триплетом иРНК. При этом кодоны не отделены друг от друга (отсутствуют «запятые»).

2. Генетический код является избыточным (вырожденным): почти все аминокислоты могут кодироваться разными кодонами. Только двум аминокислотам соответствует по одному кодону: метионину (АУГ) и триптофану (УГГ). Зато лейцину, серину и аргинину соответствует по 6 разных кодонов.

3. Генетический код является неперекрывающимся: каждая пара нуклеотидов принадлежит только одному кодону (исключения обнаружены у вирусов).

4. Генетический код един для подавляющего большинства биологических систем. Однако имеются и исключения, например, у инфузорий и в митохондриях разных организмов. Поэтому генетический код называют квазиуниверсальным.

Регуляция экспрессии генов

Все гены организма можно разделить на две большие группы: конститутивные и индуцибельные. Конститутивные гены – это гены с постоянной экспрессией, они постоянно включены, то есть функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К конститутивным относятся гены, кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, белки-гистоны, белки рибосом и т.д. Иначе говоря, это «гены домашнего хозяйства», без которых клетки не могут существовать. Индуцибельные гены («гены роскоши») – это гены с регулируемой экспрессией, они могут включаться и выключаться. У многоклеточных организмов индуцибельные гены их называют тканеспецифичными, потому что они по-разному функционируют в разных тканях на разных этапах онтогенеза. Регуляция активности генов осуществляется и на уровне транскрипции, и на уровне трансляции. Включение генов называется индукцией, а выключение – репрессией. Регуляцию активности генов производят молекулярно-генетические системы управления, в состав которых входят различные эффекторы: индукторы и репрессоры – вещества, осуществляющие индукцию и репрессию.

Переключение генов у прокариот. Рассмотрим механизмы регуляции активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки. Оперон – это участок бактериальной ДНК, включающий следующие участки ДНК: промотор (Р), оператор (О), структурные гены (в данном случае – Z, Y, А) терминатор (Т). Промотор служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК. Оператор способен присоединять белок–репрессор (который кодируется соответствующим геном). Если белок–репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать мРНК. Структурные гены кодируют ферменты, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Терминатор служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза мРНК, соответствующей структурным генам. Матричная РНК у прокариот функционирует всего несколько минут, после чего она расщепляется на нуклеотиды. Поэтому для возобновления запаса ферментов необходимо постоянно синтезировать соответствующую мРНК. Если в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком–репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок–репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Таким образом, лактоза является индуктором, она включает гены, ответственные за своё же расщепление. После того, как вся лактоза будет усвоена, белок–репрессор присоединяется к оператору и преграждает путь РНК–полимеразе. Синтез ферментов, отвечающих за усвоение лактозы, прекращается.

Переключение генов у эукариот. У эукариот опероны отсутствуют, и система управления активностью генов более сложная. В частности, у прокариот регуляторные участки составляют примерно 5 % от всей ДНК, а у эукариот длина регуляторных участков соизмерима с общей длиной структурных генов. У многоклеточных эукариот в ходе онтогенеза из исходной клетки развивается целостный организм. На разных этапах онтогенеза в разных тканях с разной интенсивностью экспрессируются разные гены. Активность генов у эукариот регулируется разнообразными эффекторами, в т. ч. гормонами.

Тотипотентность клеток. Способность исходной клетки реализовывать генетическую информацию в ходе клеточных делений и дифференцировки клеток называется тотипотентностью. У растений тотипотентны и оплодотворенные яйцеклетки, и почти все соматические клетки. У животных тотипотентна только зигота (а также некоторые клетки низших беспозвоночных). Поэтому методы клонирования животных основаны на пересадке ядер из соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки (то есть яйцеклетки с убитым ядром).

Заключение

Почти полвека тому назад был открыт принцип структурной (молекулярной) организации генного вещества - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Структура ДНК дала ключ к механизму точного воспроизведения генного вещества. Смысл ее состоит в том, что генетическая информация, записанная в ДНК, реализуется в виде белков, но не непосредственно, а через посредство родственного полимера - рибонуклеиновую кислоту (РНК), и этот путь от нуклеиновых кислот к белкам необратим. Таким образом, ДНК синтезируется на ДНК, обеспечивая собственное воспроизведение исходного генетического материала в поколениях; РНК синтезируется на ДНК, в результате чего происходит переписывание, или транскрипция, генетической информации в форму многочисленных копий РНК; молекулы РНК служат матрицами для синтеза белков - генетическая информация транслируется в форму полипептидных цепей. Итак, именно ДНК определяет наследственность организмов, то есть воспроизводящийся в поколениях набор белков и связанных с ними признаков. Биосинтез белка является центральным процессом живой материи, а нуклеиновые кислоты обеспечивают его, с одной стороны, программой, определяющей весь набор и специфику синтезируемых белков, а с другой - механизмом точного воспроизведения этой программы в поколениях. Следовательно, происхождение жизни в ее современной клеточной форме сводится к возникновению механизма наследуемого биосинтеза белков.