Файл: УМК по вет. генетике.doc

Генетический код – система перевода нуклеотидной последовательности мРНК в аминокислотную последовательность первичной полипептидной цепи белка. В алфавите ДНК 4 буквы ( нуклеотиды), известно 20 основных аминокислот. Алфавитом нуклеотидов записываются трёхбуквенные слова (аминокислоты), которые затем объединяются во фразы (гены). Трёхбуквенное сочетание в ДНК – триплет, в РНК – кодон. Основные свойства генетического кода:

- триплетный;

- вырожденный, т.е. одной аминокислоте, как правило, соответствует более одного ( 1-6) кодона. В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида чаще всего одинаковые, а третий варьирует;

-универсальный, он един для всего живого;

- неперекрывающийся, нуклеотидная последовательность считывается в одном направлении подряд, триплет за триплетом. Кодоны не перекрываются;

- АУГ – стартовый кодон;

- УАГ, УАА, и УГА – кодоны терминаторы;

Трансляция. Передача с помощью генетического кода нуклеотидной последовательности мРНК в аминокислотную последовательность белковой молекулы в комплексе мРНК с рибосомами. В трансляции выделяют: инициацию, элонгацию и терминацию. Вначале рибосома состоит из двух отдельных субединиц. иРНК присоединяется к малой 30 S cубъединице. Трансляция начинается с кодона инициации- АУГ ( антикодон тРНК-УАЦ.кодирующий метионин). Затем присоединяется большая субъединица 50 S рибосомы,создаётся активный комплекс. В функционально активной 80S рибосоме имеются аминоацильный и пептидильный центры. Аминокислота метионин,которую кодирует стартовый кодон АУГ из аминоацильного центра переходит в пептидильный, освобождая место для следующей аминокислоты. Начинается элонгация. Поступившая следующая аминокислота с помощью фермента пептидилтрансферазы присоединяется своей аминогруппой ( NH₂ ) к карбоксильной группе (COOH) предыдущей, образуя пептидную связь (-CO – NH₂ - ). Рибосома перемещается на один кодон. На одной мРНК могут работать до 100 рибосом. Трансляция продолжается до тех пор пока в цепи нуклеотидов не появится кодон терминации, который блокирует трансляцию.

2. Регуляция синтеза белка у прокариот. На основании изучения синтеза ферментов у кишечной палочки французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно предложили теорию индукции и репрессии белкового синтеза. По их теории гены, влияющие на синтез какого- то фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход синтеза ( структурные гены ). Перед структурными генами расположен ген оператор, а перед ним ген промотор ( прикрепляется РНК полимераза, осуществляет транскрипцию оперона ), на некотором расстоянии от них расположен ген регулятор, под контролем которого вырабатывается белок – репрессор с двумя специфическими участками: один для присоединения к оператору, другой для связывания с индуктором. В целом эта группа генов, определяющая синтез функционально связанных ферментов, называется – оперон. Синтез ферментов начинается под влиянием индуктора( определенное вещество, соединение, которое служит материалом для данного , или сходное с ним вещество. Индуктор соединяется с репрессором, инактивирует его. Ген оператор освобождается, начинается синтез иРНК на структурных генах и соответствующий синтез ферментов. Синтез идёт до тех пор пока в клетку поступает индуктор.

Существуют опероны аминокислот, азотистых оснований, анаболитических ферментов, которые функционируют по принципу обратной связи. В этом случае синтез ферментов идет до тех пор пока, пока конечного продукта в клетке недостаточно. Избыток продукта репрессирует синтез ферментов , участвующих в его образовании.

Механизм генной активности у эукариот. Механизм действия оперонов у прокариот возможен и для эукариот. Однако, механизмы регуляции генов у эукариот значительно сложнее и менее изучены:

-для эукариот характерна дифференциация органов и тканей, которые состоят из узкоспециализированных клеток и в них синтезируются белки определённого состава и функций , характерных для данной клетки, поэтому в них в активном состоянии будет только та часть генетической информации, которая необходима для синтеза строго определённых белков. Установлено, что у эукариот имеются гены , которые работают только в специализированных тканях ( ген – миозин в мышцах), гены ответственные за выполнение ограниченных функций ( ген- гемоглобин; кератин волос).

- репликация ДНК. Дифференцировка клеток определяет и способ их деления. Характер деления зависит от способности ДНК синтезировать белки, обеспечивающие репликацию ДНК и митоз (в нейронах, мышечных клетках, клетках печени репликация идет длительное время, наоборот, клетки эпителия кишечника, костного мозга довольно интенсивно делятся).

- Стабильность иРНК. В отличие от прокариот, у эукариот иРНК может длительное время находится в цитоплазме в виде информосом, т. е. для них характерно длительное и не одновременное протекание транскрипции и трансляции. Поэтому, у них возможно образование без ядерных клеток, которые нормально функционируют за счёт ранее синтезированных иРНК (превращение ретикулоцитов в эритроциты идет 6 суток, ядра у них отсутствуют, но синтез белков в них протекает на иРНК, которые образовались в ядрах на предшествующей стадии нормобласта)

-Каскадная регуляция генов. В клетке происходит одновременное включение и выключение большой группы генов, локализованных в разных хромосомах. Регуляция осуществляется под воздействием специализированных сигнальных веществ, которые синтезируются в клетках других тканей. Важное значение имеет гормональная регуляция активности генов ( инсулин – гормон поджелудочной железы- белок из одной полипептидной цепи, 51 аминокислота, регулирует генетический аппарат клеток печени, в которых синтезируются ферменты для нормального протекания двух противоположных процессов: синтеза глюкозы из не углеводистых веществ и гликолиза глюкозы и синтеза из неё гликогена. Соотношение комплекса ферментов этих систем и регулирует оптимальную концентрацию глюкозы в крови. Инсулин – индуктор, активирует оперон содержащий 3 структурных гена, синтезирующих ферменты необходимые для гликолиза и синтеза гликогена. Одновременно – репрессор четырех генов другого оперона, влияющих на синтез глюкозы). Различные гормоны стимулируют активность генов у с – х животных, следовательно, влияют на продуктивность.

На активность генов влияет цитоплазма дифференцированных клеток и белки гистоны. При дифференцировке клетка приобретает способность реагировать только на определённые раздражители и синтезирует лько те белки, которые необходимы для её функционирования, эти свойства клетка сохраняет последующих клеточных поколениях.

Взаимодействие генов в онтогенезе показывает, что каждый этап развития, ведущий к образованию зачатка новой ткани зависит от взаимодействия генов данной клетки с генами других клеток, что приводит к изменению цитоплазмы за счёт индуцирования тех генов, которые в конечном счёте приводят к дифференцировке, на молекулярном уровне путём транскрипции и трансляции.

Контрольные вопросы: 1. Что такое транскрипция? 2. Что такое трансляция? 3.Что такое сплайсинг? 4. Перечислите основные свойства генетического кода. 4. В чём сущность теории Жакоба и Моно. 5. Какие факторы влияют на генную активность у эукариот? 6. Сколько аминокислот содержит белок, если кодирующая часть, соответствующего ему гена, состоит из 3000 нуклеотидов?

Лекция 10.

Тема: Генетика микроорганизмов.

1.Микроорганизмы – объекты генетических исследований.

2. Строение и размножение микроорганизмов.

3. Взаимодействие фага с бактериальной клеткой.

4. Перенос генетической информации у микроорганизмов.

1. Микроорганизмы – объекты генетических исследований. Бактерии и вирусы стали объектами генетических исследований с 40-х годов прошлого столетия, после того как С. Луриа и М. Дельбрюк показали, как нужно проводить опыты с микроорганизмами, как вести учет их признаков и анализировать полученные результаты.

Преимущество микроорганизмов как генетических объектов: 1. простота их культивирования; 2. Короткий период их регенерации; 3. Огромная численность потомства( мутации 1 на 1 млн. клеток и реже); 4. Гаплоидный набор хромосом, совмещаются функции гаметы и особи. Классическими объектами генетических исследований стали Escherichia coli, salmonella, нейроспора и дрожжи, а среди вирусов- бактериофаги, поражающие эти виды бактерий и вирус табачной мозаики.

Строение микроорганизмов. Химический состав клеток бактерий в основном такой же, как и клеток высокоорганизованных организмов. Они окружены оболочкой, внутри которой находятся цитоплазма, ядерный аппарат, рибосомы, ферменты и др. включения. В отличие от клеток эукариот в клетках бактерий отсутствуют митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть. Цитоплазма – коллоид с зернистой структурой. Основная масса гранул – рибосомы с константой седиментации 70S. В центральной части цитоплазмы – нуклеоид и плазмиды. Нуклеоид- одна длинная молекула ДНК ( хромосома ). ДНК бактерий не отличается от ДНК высших организмов. При размножении клетки наиболее ответственным является воспроизведение нуклеоида. В нуклеоиде ДНК суперспирализована и одним концом прикреплена к клеточной мембране – мезосоме ( впячиванию клеточной оболочке внутрь) Связь с мембраной предполагают необходима для репликации ДНК и для разделения дочерних молекул. Репликация полуконсервативным способом. Репликация начинается со специального участка – источника репликации, который соединен с мезосомой. В месте прикрепления ДНК к мезосоме одна из цепей ДНК разрывается. Конец 5' наружной разорванной цепи ДНК прикрепляется рядом к новому месту мезосомы. Хромосома вращается против часовой стрелки за местом прикрепления ДНК к мембране. Репликация идёт в одном направлении. К моменту завершения репликации точки прикрепления дочерних ДНК отдвигаются благодаря активному росту участка мембраны. По окончании репликации образуется межклеточная перегородка.

Строение и размножение вирусов.Вирусы резко отличаются от всех известных форм жизни. Они очень малы ( от 20 до 450 нм). Вирусы содержат одну из нуклеиновых кислот, которая окружена белковой оболочкой (капсид). Геном может быть представлен двухцепочной, одноцепочной ДНК, одно или двухцепочной РНК. Молекулярная масса ДНК от 1,5 · 10⁶ до 1,6 · 10⁸ у РНК 1,6·10⁶ до 9·10⁶ Д. Молекулы нуклеиновых кислот могут быть линейными и кольцевыми. Кживым их относят потому, что они обладают изменчивостью,размножением, обменом веществ, к неживым из-за слишком малого размера,неспособности самостоятельно синтезировать собственные белки и самостоятельно размножаться. Их называют « ядовитые кристаллы». Вирусы суперпаразиты, они репродуцируются только внутри клеток какого-то организма, используя для этого все необходимые компоненты клеток. Вирусы инфицируют от одноклеточных организмов до человека. К настоящему времени лучше изучены вирусы паразитирующие в бактериях, их называют бактериофаги, и х размеры от20 до200 н.м.

Взаимодействие фага с бактериальной клеткой. Вголовке фага плотно упакована нуклеиновая кислота. На конце хвостового отростка име.тся специальные волоконца облегчающие прикрепление фага к бактериальной клетке. Заражение происходит если клетка чувствительна к вирусу.Хвостовым отростком фаг прикрепляется к оболочке клетки,которая растворяется с помощью фермента лизоцима. Хвосмтовой отросток сокращается и нуклеиновая кислота впрыскивается внутрь клетки. Фаги с опустевшей головкой остаются адсорбированными на оболочке клетки. Некоторое время после проникновения нуклеиновой кислоты в клетку фаги не обнаруживаются ( скрытый период). В этот период начинается синтез ранних белков необходимых для синтеза нуклеиновых кислот фага под контролем фагового генома. Синтезируется несколько сотен нуклеиновых кислот фага (частично из питательных веществ клетки и частично из деградированной ДНК клетки) Синтез всех ферментов и фаговых структурных белков контролируется фаговой ДНК, которую можно обнаружить через 8 – 9 мин. после заражения. К 12 мин. Синтез ранних белков прекращается. В конце латентного периода идёт сборка частей фага с образование полного капсида. После этого клетка лизируется и фаги попадают в окружающую среду. По характеру взаимодействия с бактериальной клеткой фаги делятся на вирулентные и авирулентные ( умеренные). Умеренные могут вызывать лизис клетки, но могут перейти в неинфекционную форму. Путём кроссинговера фаги встраиваются в геном хозяина и передаются в дочерние клетки. Существование в геноме хозяина профага называется – лизогенией. В одном случае на 10000 делений клетки фаг может выйти из генома перейти в вирулентную форму и лизировать клетку. Умеренные фаги могут быть дефектными,т.е. неспособны к образованию зрелых фагов и используются в генной инженерии (осуществляют трансдукцию).

Трансформация. Трансформацию открыл Гриффитс в 1928г. Явление трансформации было установлено у стрептококков, менингококков и целого ряда других бактерий. В процессе трансформации принимают участие две бактериальные клетки – донор и реципиент. Трансформирующий агент представляет собой часть молекулы ДНК донора, которая внедряется в геном реципиента, изменяя его фенотип. В процессе трансформации клетки донора и реципиента не соприкасаются друг с другом. Механизм переноса генетического материала заключаются в том, что из клеток донора выделяются в окружающую среду молекулы или фрагменты молекул ДНК. Сначала ДНК адсорбируется на оболочке клетки реципиента. Затем через определенные рецепторные участки ее стенки при помощи специальных клеточных белков ДНК втягивается внутрь клетки. Проникающая донорская ДНК должна быть двухцепочной. В реципиентной клетке она становиться одноцепочной. В ДНК включается одна из цепей трансформирующего фрагмента. Эта цепь вступает в синапсис с гомологичным участком хромосомы реципиента и встраивается в нее посредством кроссинговера. При этом участок ДНК реципиента замещается фрагментом донора. Молекула ДНК со вставкой трансформирующего участка оказывается гибридной. При следующем удвоении возникает одна нормальная дочерняя молекула ДНК, другая трансформированная.

Еще в начальном периоде изучения явления трансформации установлено, что способность бактерий- реципиентов к трансформации определяется их физиологическим состоянием. Такое физиологическое состояние было названо компетентностью. Состояние компетентности краткосрочно и приурочено к определенному времени клеточного цикла. Было обнаружено, что трансформирующей способностью обладают только крупные молекулы ДНК с молекулярной массой 10⁶Д и более. Кроме того, необходимо, чтобы ДНК была полностью или частично гомологична ДНК реципиента.

У бактерий трансформация имеет место в пределах одного вида, но наблюдается и между разными близкими видами. Это указывает на то, что у них сохранилась гомологичность некоторых участков ДНК.

Трансдукция. Перенос генов из одной бактериальной клетки в другую при помощи умеренных фагов называется трансдукцией. Впервые явление трансдукции Н.Д. Циндер и Дж. Ледерберг в 1952г. Они проводили исследования на патогенных для мышей бактериях Salmonella typhimurium. Были отобраны два штамма S. typhimurium: штамм 22А ауксотрофный, неспособный синтезировать триптофан (Т-), и штамм 2А, способный синтезировать триптофан (Т+). Эти штаммы засеивались в U-образную трубку, разделенную внизу бактериальным фильтром. В одно колено трубки засевали штамм 22А (Т-), в другое колено штамм 2А (Т+).После определенного периода инкубации бактерии штамма 22А, при посеве на минимальную питательную среду, дали небольшое количество колоний (частота появления трансдуцированных клеток была равна 1*10^-5). Это свидетельствовало о том, что некоторые клетки приобрели способность синтезировать триптофан.