Спадковий апарат еукаріотичних клітин і його функціонування на молекулярному рівні. Реалізація генетичної інформації в клітині, експресія генів

Генна експресія - це молекулярний механізм реалізації спадкової інформації, завдяки якому ген виявляє свій потенціал конкретною фенотипною ознакою організму.

Процес експресії гена складається з кількох етапів (рис. 1.64):

1. Код гена ДНК перетворюється в код про-іРНК. Перший етап експресії називається "транскрипцією".

2. Складна молекула про-іРНК зазнає "процесингу", внаслідок чого значно зменшується за розмірами. Утворюється зріла ІРНК, зчитування інформації з якої спрощується. Біологічний зміст процесингу - полегшення доступу до спадкової інформації.

3. Інформаційна РНК за участю тРНК вибирає необхідні амінокислоти і зв'язує їх на рибосомі відповідно до послідовності амінокислот у молекулі білка. Цей процес називається трансляцією.

4. Синтезований поліпептид зазнає модифікації і впливає на морфологічну або функціональну ознаку (фенотип) клітини або організму. Цей процес називається "експресією".

Всі етапи експресії генів відбуваються з використанням енергії під впливом десятків ферментів.

Основою експресії генів є молекулярні процеси транскрипції, процесингу, трансляції і модифікації.

У процесі транскрипції бере участь не тільки інформативна частина гена, але й інші регуляторні і структурні ділянки. Про-іРНК містить багато елементів, які характерні для ДНК. Процесинг істотно модифікує про-іРНК, яка перетворюється на ІРНК і містить значно менше структурно-функціональних елементів. Внаслідок трансляції на основі ІРНК утворюються молекули цілком іншої природи - білки, що не мають нічого спільного з нуклеїновими кислотами, мають інші властивості та організацію. Модифікація поліпептиду призводить ще до одного природного явища - появи складної просторової організації молекули білка. Відбувається перехід лінійної інформації ДНК і РНК у просторову організацію протеїну, що, зокрема, є складовою специфічної просторової взаємодії молекул у живому організмі, яка є основою життя.

Регуляція експресії генів. Генетичний апарат - це тонко регульована система. Відомо, що гени не проявляють постійної активності. Ген перебуває в неактивному стані, але коли є необхідність, він активується, а це, зокрема, зумовлює синтез відповідного білка. Таким чином, клітинам властивий механізм, що контролює кількість будь-якого ферменту в певний проміжок часу. Синтез білків регулюється генетичним апаратом і факторами внутрішнього і зовнішнього середовища.

58. Організація генетичного матеріалу в прокаріот. Експресія генів.

Як відомо, генетичний апарат прокаріотів побудовано з двоспіральної нитки ДНК, яка складається з 3х109 пар нуклеотидів і замкнута в кільце.Вона суперспіралізована завдяки поліамінам (сперміну, спермідину), іонам магнію і на електронних мікрофотографіях має форму намиста.
ДНК складається з пуринових (аденін, гуанін) та піримідинових (тимін, цитозин) нуклеїнових основ - гетероциклічних азотистих сполук, до складу яких входить цукор дезоксирибоза З’єднує полімери фосфорна кислота. Між ланцюгами існують ковалентні та водневі зв’язки, тому молекули легко розпадаються. Кількість аденінових основ дорівнює тиміновим, а гуанінових - цитозиновим.

Існує певний механізм, за допомогою якого послідовність нуклеотидів у гені визначає послідовність амінокислот у білку.
Спочатку ДНК клітини деспіралізується, і на одній із її ниток, як на матриці, фермент ДНК-залежна РНК-полімераза за принципом комплементарності формує полірибонуклеотидний ланцюг, який називається інформаційною або матричною РНК (іРНК, мРНК). Ця стадія синтезу білка називається транскрипція (Інформаційна РНК переноситься клітиною в цитоплазму, де розташовані рибосоми. Розпочинаєтся наступний етап - трансляція (translatio - перенесення). Саме в цей період на рибосомах відбувається зчитування генетичного коду іРНК та побудова поліпептидних ланцюгів.
У цитоплазмі клітини завжди існують особливі специфічні нуклеїнові кислоти, які називаються транспортними РНК (тРНК). На одному з кінців вони мають триплет нуклеотидів (антикодон), а на іншому - місце для з’єднання з відповідною амінокислотою (кодон). Вони доставляють необхідну амінокислоту до рибосоми, на якій відбувається елонгація (elongatio - подовження) поліпептидного ланцюга.
Генетична інформація клітини може бути закодована як хромосомними генами, так і генами, які знаходяться у позахромосомному стані, тобто відмежовані від хромосоми, але здатні до тривалого підтримання та відтворення в такій формі. Їх виявлено у бактерій багатьох родів. Позахромосомні елементи спадковості представлено плазмідами, транспозонами, Is-елементами та фагами.
Найдрібнішими за своїми розмірами є Is-послідовності (insertion sequenses - вставлені послідовності)..Вони виконують координуючу роль, пов’язуючи між собою всі елементи спадковості клітини, регуляторну функцію, а також здатні індукувати мутації типу делеції чи інверсії.
Транспозони (transposition - переміщення) є нуклеотидними послідовностями, які крім генів, що відповідають за транспозицію, можуть нести гени, кодуючі інші функції. Вони можуть нести інформацію про синтез, наприклад, бактеріальних ентеротоксинів, ферментів, руйнуючих антибіотики. Плазміди - кільцеві молекули ДНК молекулярною масою до 10⁶-10⁸ Д з 1,5-400 тис пар основ Вони можуть існувати в цитоплазмі у вільному стані або бути інтегрованими з клітинною хромосомою. Тоді їх називають епісомами. Плазміди містять у своєму складі tra-оперон (transfer - перенос), який забезпечує їх здатність до передачі, і гени, які кодують якусь ознаку. Їх називають трансмісивними, якщо вони самостійно передаються іншим клітинам за допомогою кон’югації, і нетрансмісивними, коли не мають власного апарату передачі, а переносяться разом трансмісивними або при трансдукції. Вони можуть існувати в клітині у декількох копіях.
Плазміди виконують регуляторну та кодуючу функції..

Осмос. Клітина осмотична система. Явище плазмолізу, деплазмолізу. Тургор.

О́смос — спонтанний перехід, однобічнадифузія через напівпроникну перегородку (мембрану), яка відокремлює розчин від чистого розчинника або розчину меншої концентрації. Зумовлений прагненням системи до термодинамічної рівноваги і вирівнювання концентрацій розчину з обох боків мембрани. Характеризується осмотичним тиском, що дорівнює надлишковому зовнішньому тискові, який треба докласти з боку розчину, щоб припинити осмос.

У живих організмах

Осмос — це явище, що суттєво впливає на існування живих клітин. Клітинні мембрани більш проникні для води ніж для більшості іонів, малих гідрофільних молекул та макромолекул. Така різниця великою мірою виникає внаслідок наявності в мембранах білків аквапоринів, що пропускають тільки молекули води. Якщо клітина перебуває в ізотонічному розчині (0,9%хлориду натрію або 5% глюкози для людських клітин^[3]), вона не втрачає і не набуває води. Угіперотонічому середовищі, тобто у середовищі з більшою осмолярністю, клітина зморщується внаслідок зневоднення, а в гіпотонічому навпаки — набухає, і якщо надходження води не вдається спинити, це призводить до розривання, осмотичного лізису, клітини^[1].

Осмотичні властивості розчинів також впливають і на форми запасання енергії живими клітинами. Так вони зберігають вуглеводи у виглядіполісахаридів (крохмалю і глікогену), а не моно- чи олігосахаридів. Оскільки осмос зростає пропорційно до кількості частинок розчиненої речовини, а не до їх маси, 1 г гілкогену, молекули якого містять по 1000 залишків глюкози, збільшуватиме омолярність цитоплазми до такої ж міри, як і 1 мг глюкози^[1].

Осмос також відіграє важливу роль в екології водойм. Якщо концентрація солі та інших речовин у воді піднімається чи падає — мешканці цих вод гинуть через згубну дію осмосу.

n Гіпертонічний розчин – це розчин, концентрація якого вище порівняно з внутрішньою концентрацією клітини

n Ізотонічний розчин – розчин, концентрація якого однакова з внутрішньою концентрацією клітини

n Гіпотонічний розчин – розчин з нижчою концентрацією порівняно з клітиною.

Деплазмоліз – процес, зворотній плазмолізу, відбувається при зміні концентрації оточуючого розчину на гіпотонічний

n тургор (Т) – внутрішній тиск, який створюється водою та розчиненими у ній речовинами.

n Осмотичний тиск (P) – це сила, з якою внутрішній вміст клітини утримує воду. Осмотичний тиск можна визначити дослідним шляхом, користуючись рівнянням Вант-Гоффа: P=RTCi

n Сисна сила (S) – це сила, з якою клітина здатна всмоктувати воду. Цю величину також можна визначити дослідним шляхом

n Т = Р – S;

n S = Р – Т