Структурная организация наследственного материала прокариот и эукариот

1.

«СТРУКТУРНАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ
НАСЛЕДСТВЕННОГО
МАТЕРИАЛА
ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ»

2.

Актуальность темы: молекулярная биология изучает явления жизни
на уровне макромолекул в субклеточных структурах, в вирусах, в
клетках, установление роли и механизма функционирования этих
макромолекул на основе знания их структуры и свойств.
Молекулярная биология главное внимание сосредоточивает на
изучении способа хранения наследственной информации, механизма
ее передачи дочерним клеткам и реализации этой информации. Начав
с изучения биологических процессов на атомно-молекулярном уровне,
молекулярная биология перешла к сложным надмолекулярным
клеточным структурам и в настоящее время успешно решает
проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.
Цель занятия: изучить структурнофункциональную организацию генов
прокариот и эукариот; выяснить
особенности регуляции отдельных этапов
экспрессии генов.

3.

Вопросы для самоподготовки
ген как функциональная единица наследственности. Свойства гена.
Классификация генов.
генетический код, его свойства и значение отдельных характеристик
понятие о матричных процессах в клетке, их особенности (примеры),
особенности работы ферментов
транскрипция биоинформации с ДНК на РНК как матричный процесс
(общая характеристика, принципы, этапы, ферменты и значение).
современные представления о структуре и регуляции экспрессии
генов у прокариот (работа оперона)
современные представления о структуре и регуляции экспрессии
генов у эукариот (работа транскриптона)
процессинг (созревание) первичного транскрипта; структура
гетерогенно-ядерной РНК (преиРНК)
сплайсинг.
Модификация
3'
и
5'концов
(кэпирование,
полиаденилирование).
альтернативный сплайсинг: механизм и его биологическая роль.

4.

Структурно-функциональная
организация ГЕНА

5.

по месту локализации
ядерные гены
по функциональному значению
структурные
структурныегены
гены
регуляторные гены
регуляторные
гены
цитоплазматические гены
гены, обеспечивающие
эмбриогенез
гены, решающие задачи
экологического характера
гены «социального»
контроля
генымодуляторы
сервисные
гены
гены,
контролирую
щие работу
структурных
генов
конценсусные
гены
гены, определяющие
развитие организма
гены-господа
гены-рабы

6.

Свойства генов
· дискретность: один ген контролирует один признак
· специфичность: каждый ген отвечает строго за свой
признак
· стабильность структуры: гены передаются из поколения
в поколение не изменяясь
· дозированность действия: один ген определяет одну
дозу фенотипического проявления признака
· способность к мутированию (изменению структуры)
· способность к репликации (самоудвоению)
· способность к рекомбинации (переходу из одной
гомологичной хромосомы в другую)
ген

7.

Матричные процессы - это процессы, при
которых на основе первичной структуры
одного биополимера (матрицы)
синтезируется первичная структура другого
биополимера (копия).
Структура матрицы определяет структуру копии

8.

9.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
способ кодирования аминокислотной последовательности
белков с помощью последовательности нуклеотидов.
Каждая аминокислота кодируется последовательностью из
трех нуклеотидов - кодоном или триплетом.

10.

СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех
нуклеотидов – триплетом или кодоном.
2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких
нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
дополнительных
3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два
триплета.
4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность (Избыточность). Одна аминокислота может кодироваться
несколькими разными кодонами.
6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.

11.

ГЕН
(ДНК)
Трансляция
Транскрипция
Полипептид
рРНК
Про тРНК
иРНК
Комплектация
Процессинг
Белок
рРНК
ЗрелыетРНК
иРНК
Метаболизм
ПРИЗНАК

12.

Транскрипция - матричный процесс - копирования
нуклеотидной последовательности ДНК в
последовательность РНК. Фермент РНК -полимераза
направление транскрипции:
от 5’ конца в сторону 3’

13.

Гены – транскрибируемые участки ДНК
транскрибируется не вся ДНК, а лишь отдельные ее
участки – гены.
ДНК одной
хромосомы
РНК
некодирующая ДНК между генами

14.

Строение гена
регуляторная
часть
кодирующая
часть
промотор
ДНК
терминатор
АТГ
точка начала
транскрипции
5'
STOP
окончание
транскрипции
РНК-транскрипт
3'

15.

ИНИЦИАЦИЯ
ЭЛОНГАЦИЯ
ТЕРМИНАЦИЯ

16.

Молекулярные механизмы экспрессии генов

17.

Регуляция экспрессии
ГЕНОВ
Контроль
определенного
признака

18.

ЭТАПЫ ЭКСПРЕССИИ ГЕНА
ПРОКАРИОТЫ
ЭУКАРИОТЫ
1. ТРАНСКРИПЦИЯ
1.ТРАНСКРИПЦИЯ
2. СОЗРЕВАНИЕ
(ПРОЦЕССИНГ)
2. АКТИВАЦИЯ И
ТРАНСПОРТ АМИНОКИСЛОТ
3.АКТИВАЦИЯ И
ТРАНСПОРТ
АМИНОКИСЛОТ
3. ТРАНСЛЯЦИЯ
4.ТРАНСЛЯЦИЯ

19.

Несколько генов под одним промотором
Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские
ученые Жакоб и Моно, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году.

20.

Схема регуляции экспрессии генов
А
Б
НЕ активен
иРНК
иРНК
РНК-
Транскрипция
Транскрипция
полимераз
а
РНКполимераза
Активен
Репрессор
Транскрипция НЕ
происходит
Ферменты
образуются
иРНК
→
Белкиферменты
Индуктор
-лактоза
А – оперон НЕ активен, т.к. белок-репрессор связан с оператором,
Б – оперон активен, т.к. белок-репрессор блокирован индуктором (лактозой).

21.

Работа лактозного оперона

22.

У прокариот
часть фермента РНК-полимеразы называется
сигма-фактором.
Он узнает промотор и указывает место
связывания РНК-полимеразы с ДНК

23.

Регуляция активности генов
Позитивная:
Негативная:
появление
фактора(белка)
включает
транскрипцию
появление
фактора
выключает
транскрипцию
O
P
P
индуктор РНК-полим
S1 S2 S3
O
РНК-полим репрессор
S1 S2 S3

24.

Теория индукции – репрессии активности
генов ( 1961 г. Жакоб и Моно)
Ген регулятор
Структурный
ген
Активный
репрессор
В отсутствие индуктора
экспрессия структурного
гена заблокирована
Ген регулятор
Структурный
ген
Активный
репрессор
БЕЛОК
(фермент)
Индуктор
(субстрат)
Комплекс
индуктор-репрессор

25.

Транскрипция у эукариот
Транскриптон состоит из неинформативной (акцепторной) и
информативной (структурной) зон.
Неинформативная зона начинается промотором с инициатором.
Далее следует группа генов-операторов, за которым расположена
информативная часть.
Информативная зона образована структурным геном, разделенным
на экзоны и интроны.
Заканчивается транскриптон терминатором.

26.

У эукариот процесс транскрипции сложнее:
1. Для активации РНК-полимеразы необходимы
факторы транскрипции
2. Три РНК-полимеразы — I, II, III
3. Наличие регуляторных элементов — это энхансеров
(активирующих транскрипцию) и сайленсеров
(ослабляющих транскрипцию)

27.

28.

Транскриптон
Неинформативная зона
Гены-регуляторы
ГеныПромотор операторы
Информативная зона
Структурный ген
Экзоны
Интроны
Терминатор
РНК-полимераза
Про-и-РНК
Белки
репрессоры
Процессинг – расщепление на фрагменты
про-и-РНК и разрушение неинформативной
части
Индукторы
Сплайсинг информативных
фрагментов
и-РНК
Схема регуляции транскрипции у эукариот

29.

Транскриптон

30.

Особенности регуляции генной
активности у эукариот
1. Нет оперонной организации генов (1ген--
1регулятор)
2. Один регуляторный фактор для нескольких генов
3. Гормональная регуляция
4. Активация генов энхансеры,
угнетение - сайленсеры
5. Регуляция уровня компактизации хроматина с
помощью модификации белков-гистонов,
облегчающей доступ ферментов транскрипции к
определенным генам
6. Во время деления клетки все гены не активны

31.

Схема транскрипции и процессинга у эукариот
Э – экзоны, И - интроны

32.

Процессинг

33.

терминатор
промотор
ДНК
одного
гена
П
Э1
И
Э2
И
Э3
И
Э4
транскрипция
прем-РНК
Э1
Э2
Э4
Э5
сплайсинг (вырезание интронов)
зрелая м-РНК
Э1 Э2
Э3
Э4
в зрелой м-РНК остаются только
экзоны
Т

34.

Процессинг мРНК

35.

Альтернативный сплайсинг

36.

Альтернативный сплайсинг
терминатор
промотор
ДНК
одного
гена
П
Э
1
И
Э
И
2
прем-РНК
Сплайсинг в клетке 1
зрелая м-РНК
Сплайсинг в клетке 2
Э
3
И
Э
4
Т

37.

38.

Сплайсинг

39.

Решение
задач

40.

РАБОТА 1. Определение количества нуклеотидов в молекулах
ДНК, прои-РНК и и-РНК.
Задача 1. Ген эукариот, кодирующий белок М, состоит из трех
экзонов (по 120 пар нуклеотидов) и двух интронов (по 600 пар
нуклеотидов). Сколько всего нуклеотидов содержится в
незрелой про- иРНК и в зрелой и-РНК?
Пример решения и правильной записи задачи: незрелая иРНК
(про-иРНК, гяРНК) состоит из интронов и экзонов.
Интроны вырезаются в процессе сплайсинга при созревании
РНК. Следовательно, в незрелой про-иРНК 3 x 120 + 2 x 600 =
1560 нуклеотидов.
В зрелой иРНК содержится 3 x 120 = 360 нуклеотидов.
Ответ: в зрелой иРНК содержится 360 нуклеотидов; проиРНК - 1560 нуклеотидов.

41.

РАБОТА 2. Определение типа «шпильки» нуклеотидной
последовательности малой интерферирующей РНК.
Задача 6. По представленной последовательности молекулы РНК из 56
нуклеотидов определите, может ли она «свернуться» в шпильку с
комплементарной частью длиной ровно 20 нуклеотидов. Если может, то
укажите, каким номерам нуклеотидов соответствуют шпилька и петля.
Совершенной или несовершенной будет эта шпилька?

42.

РАБОТА 3. Определение нуклеотидной последовательности РНК
по ДНК матрице.
Задача 12. Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент
молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет
следующую последовательность нуклеотидов (верхняя цепь смысловая, нижняя
транскрибируемая).
5' Ц Г А А Г Г Т Г А Ц А А Т Г Т 3'
3' Г Ц Т Т Ц Ц А Ц Т Г Т Т А Ц А 5'
Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который
синтезируется на данном фрагменте, обозначьте 5' и 3' концы этого фрагмента и
определите аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе
биосинтеза белка, если третий триплет с 5' конца соответствует антикодону тРНК.
Пример решения и правильной записи задачи: нуклеотидная последовательность участка
тРНК (верхняя цепь по условию смысловая), на ДНК с 3' конца строится тРНК с 5' - конца.
1. Транскрибируемая (антисмысловая) цепь по сути является копией смысловой цепи ДНК.
Служит матрицей для синтеза иРНК (информацию о первичной структуре белка), тРНК, рРНК,
регуляторной РНК.
ДНК: 3' Г Ц Т Т Ц Ц А Ц Т Г Т Т А Ц А 5'
тРНК: 5' Ц Г А А Г Г У Г А Ц А А У Г У 3'
2. нуклеотидная последовательность антикодона УГА (по условию третий триплет)
соответствует кодону на иРНК УЦА
3. по таблице генетического кода этому кодону соответствует аминокислота - СЕР, которую
будет переносить данная тРНК.

43.

РАБОТА 4. Определение последовательности нуклеотидов в
иРНК до и после генной мутации
Задача 20. В гене нуклеотиды располагаются в следующей
последовательности: …А А А Г А А Ц А Ц Т Т Ц Г А Т Г А А…
Как изменится последовательность нуклеотидов в матричной РНК,
синтез которой контролируется данным геном, если третий
нуклеотид заменить на Г, шестой и девятый нуклеотиды заменить
на Т?
Пример решения и правильной записи задачи:
ДНК (норм): 3'…А А А Г А А Ц А Ц Т Т Ц Г А Т Г А А …5'
иРНК (норм) 5'…У У У Ц У У Г У Г А А Г Ц У А Ц У У …3'
ДНК (мут): 3'… А А Г Г А Т Ц А Т Т Т Ц Г А Т Г А А …5'
иРНК (норм) 5'… У У Ц Ц У А Г У А А А Г Ц У А Ц У У …3'