Типы РНК

Типы РНК	Характеристика и функции
Транспортная рибонуклеи́новая кислота́ (тРНК)	Транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь — будучи в комплексе с аминокислотой — к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса. Для каждой аминокислоты существует своя тРНК. тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию «листа клевера». Аминокислота ковалентно присоединяется к 3'-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. На участке C находится антикодон, соответствующий аминокислоте.
Рибосомальная рибонуклеи́новая кислота́ (рРНК)	Осуществление процесса трансляции - считывания информации с мРНК при помощи адапторных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами.
Ма́тричная рибонуклеи́новая кислота́ (мРНК) или информацио́нная РНК (иРНК)	Отвечает за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК к местам синтеза белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.
Малые ядерные РНК (мяРНК)	Встречаются в ядре эукариотических клеток. Они транскрибируются РНК-полимеразой II или РНК-полимеразой III и участвуют в важных процессах, таких как сплайсинг (удаление интронов из незрелой мРНК), регуляции факторов транскрипции (7SK РНК) или РНК-полимеразы (B2 РНК) и поддержании целостности теломер. Они всегда ассоциированы со специфическими белками, комплексы мяРНК с белками называются малые ядерные рибонуклеопротеины (мяРНП). Малые ядерные РНК содержат большое число уридинов.

 

Фосфат- углеводный каркас   Рис. 12. Образование связи по принципу комплиментарности.

Аденин

Урацил

Антикодон Лист клевера   Рис. 13. Структура молекулы т-РНК с водородными связями, похожая на клеверный лист.

Место присоединения аминокислот

Антикодоновая петля

Т-петля

 

 

	Д-петля

 

мРНК   Рис. 14. Образование водородной связи между кодоном мРНК и антикодоном тРНК. Информация о последовательности аминокислот белка содержится в мРНК. Три последовательных нуклеотида (кодон) соответствуют одной аминокислоте. В эукариотических клетках транскирибированный предшественник мРНК или пре-мРНК процессируется с образованием зрелой мРНК. Процессинг включает удаление некодирующих белок последовательностей (интронов). После этого мРНК экспортируется из ядра в цитоплазму, где к ней присоединяются рибосомы, транслирующие мРНК с помощью соединённых с аминокислотами тРНК. Транспортные (тРНК) — малые, состоящие из приблизительно 80 нуклеотидов, молекулы с консервативной третичной структурой. Они переносят специфические аминокислоты в место синтеза пептидной связи в рибосоме. Каждая тРНК содержит участок для присоединения аминокислоты и антикодон для узнавания и присоединения к кодонам мРНК. Антикодон образует водородные связи с кодоном, что помещает тРНК в положение, способствующее образованию пептидной связи между последней аминокислотой образованного пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК.

Водородная связь

Кодон

Антикодон

тРНК

 

аминоацил-тРНК

Свободная молекула тРНК без аминокислоты

Пептидил тРНК присоединяется к С-концу растущей полипептидной цепи

Новая молекула пептидил тРНК соединяется к С-концу растущей полипептидной цепи

 

Рис. 15. Схема встраивания аминокислот в молекулу белка.

 

 

 

 

Рис. 16. Общая схема трансляции.
Инициация. 1. Узнавание стартового кодона (AUG), сопровождается присодинением тРНК аминоацилированной метионином (М) и сборкой рибосомы из большой и малой субъединиц.
Элонгация. 2. Узнавание текущего кодона соответствующей ему аминоацил-тРНК (комплементарное взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК увеличено). 3. Присоединение аминокислоты, принесенной тРНК, к концу растущей полипептидной цепи. 4. Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы тРНК. 5. Аминоацилирование высвободившейся молекулы тРНК соответствующей ей аминоацил-тРНК-синтетазой. 6. Присоединение следующей молекулы аминоацил-тРНК, аналогично стадии (2). 7. Движение рибосомы по молекуле мРНК до стоп-кодона (в данном случае UAG).
Терминация. Узнавание рибосомой стоп-кодона сопровождается (8) отсоединением новосинтезированного белка и в некоторых случаях (9) диссоциацией рибосомы.

Рис. 17. Полирибосома. Полирибосома - несколько рибосом, одновременно транслирующих одну молекулу мРНК. Поскольку длина средней молекулы мРНК значительно превышает количество нуклеотидов, занимаемых на РНК рибосомой, одну молекулу РНК, в зависимости от скорости инициации одновременно транслируют несколько рибосом. Образование и количество рибосом в полисоме зависит от скорости инициации, элонгации и терминации на данной конкретной РНК. В настоящеее время принята модель, в которой у эукариот начало мРНК (5' нетранслируемый участок) и её конец (3' нетранслируемый участок) расположены близко друг другу за счёт взаимодействия одного из факторов инициации трансляции IF4G/F с белком, ассоциированным с 3' нетранслируемым участком.

Старт кодон

Стоп кодон

Полипептидная цепь

кэп

полиаденинсвязывающий белок

мРНК

 

 

 

мРНК

неактивный белок   активный белок

мРНК

транскрипция

ДНК

белок

Ядро

 

 

Рис. 18. Схема контроля экспрессии генов в эукариотической клетке.

1 – контроль за транскрипцией; 2 – контроль за обработкой информации; 3 – контроль за транспортом и локализацией РНК; 4 – контроль за трансляцией; 5 – контроль за вырождением мРНК; 6 – контроль за активацией белков.

 

 

Рецептор глюкокортикоида в отсутствии глюкокортикоидного гормона

Низкий уровень экспрессии Высокий уровень экспрессии

Ген 3

Ген 3

Ген 2

Ген 2

Ген 1

Ген 1

глюкокортикоид

 

Рис. 19. Один белок, регулирующий ген, может координировать экспрессию различных генов.

 

Схематически представлено действие глюкокортикоида. Слева изображены три гена, каждый из которых имеет собственный активаторный белок, способный связываться с регуляторной областью. Однако, этих регуляторных белков недостаточно для полной активации транскрипции. Справа представлен эффект добавления еще одного регулирующего ген белка – глюкокортикоидного рецептора в комплексе с глюкокортикоидным гормоном. Этот комплекс способен связываться с регуляторной областью каждого из трех генов и завершает собой набор регулирующих ген белков, который требуется для максимальной инициации транскрипции. В отсутствии этого гормона глюкокортикоидный рецептор не способен связываться с ДНК.

 

Эмбриональная клетка

Клетка G Клетка H Клетка I Клетка J Клетка K Клетка L Клетка M Клетка N

Индукция регуляторного белка 4 и 5

Клетка F

Клетка E

Клетка D

Клетка C

Правый

Клетка В

Клетка А

Индукция регуляторного белка 2 и 3

Индукция регуляторного белка 1

 

Рис. 20. Значение комбинаторного контроля генов для развития.

Комбинация из нескольких генов и белков может обеспечивать генерирование клеток нескольких типов в ходе развития. На этой идеализированной схеме «решение» о характере развития принимается парой регулирующих активность генов белков. Показаны как пронумерованы круги. Этот процесс происходит после каждого цикла деления.

 

Левый

 

 

Рис.21. Схемы митоза и мейоза.

 

Таблица 7

Митоз и процессы, происходящие в различные фазы

	Хромосомный набор	События	Морфологическая картина
И Н Т Е Р Ф А З А
G1-период	46 хроматид	Рост клетки, подготовка к S-периоду	Клетка имеет присущую ей форму, имеет ядро, в ядре выявляется хроматин в виде точек, зерен, глыбок; как правило, имеется ядрышко
S-период	92 хроматиды (46х2)	Редупликация ДНК
G2-период	92 хроматиды (46х2)	Подготовка к митозу
М И Т О З
Профаза	46 хромосом; 92 хроматиды (по 2 хроматиды в каждой хромосоме)	Конденсация ДНК с образованием хромосом, исчезновение ядра	Клетка начинает терять нормальную форму, на месте ядра виден клубок толстых нитей — хромосом, расположенных неупорядоченно
Метафаза	Выстраивание хромосом по экватору клетки в процессе формирования веретена деления	Клетка теряет нормальную форму и становится округлой, ядра нет, хромосомы в виде толстых нитей образуют структуру материнской звезды (вид сверху) или метафазной пластинки (вид сбоку)
Анафаза	По 46 хроматид в каждой дочерней клетке	Разделение хромосом на хроматиды и расхождение хроматид к полюсам клетки; расхождение полюсов клетки	Клетка округлой или вытянутой формы, ядра нет, хромосомы в виде толстых нитей расположены у противоположных полюсов клетки
Телофаза	Разделение цитоплазмы и образование двух дочерних клеток, формирование ядер	Две мелкие дочерние клетки, соединенные цитоплазматическим мостиком; ядра с толстыми нитями внутри или с большими глыбами хроматина

 

Таблица 8

Мейоз и процессы, происходящие в различные фазы

	Хромосомный набор	События	Морфологическая картина
ИНТЕРФАЗА
G1-период	46 хроматид	рост клетки, подготовка к S-периоду	клетка имеет присущую ей форму, имеет ядро, в ядре выявляется хроматин в виде точек, зерен, глыбок; как правило, имеется ядрышко
S-период	92 хроматиды (46х2)	синтез (редупликация) ДНК
G2-период	92 хроматиды (46х2)	подготовка к делению
М Е Й О З
п е р в о е д е л е н и е	п р о ф а з а	лептонема	46 хромосом; 92 хроматиды (по 2 хроматиды в каждой хромосоме)	конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей	в ядре имеются тонкие нити, расположенные неупорядоченно
зигонема	23 бивалента, каждый из которых состоит из 2 хромосом; всего - 46 хромосом; 92 хроматиды (46х2; по 2 хроматиды в каждой хромосоме)	коньюгация (соединение) гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединенных хромосом, называемых тетрадами или бивалентами	в ядре имеются толстые нити, расположенные неупорядоченно
пахинема	кроссинговер (перекрест) обмен участками между гомологичными хромосомами; гомологичные хромосомы остаются соединенными между собой
диплонема	происходит часточная деокнденсация хрмомсом, при этом часть геном может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединенными между собой
диакинез	ДНК снова максимально конденсируется, синнтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; гомологичные хромосомы остаются соединенными между собой	ядро исчезает, на его месте - клубок толстых нитей, расположенных неупорядоченно
метафаза	выстраивание бивалентов по экватору клетки в процессе формирования веретена деления	см. метафазу митоза
анафаза	по 23 хромосомы в каждой дочерней клетке (каждая хромосома состоит из 2 хроматид, всего - 46 хроматид	разделение бивалентов (соединенных гомологичных хромосом) на отдельные хромосомы и расхождение хромосом к полюсам клетки	см. анафазу митоза
телофаза	см. телофазу митоза	см. телофазу митоза
интерфаза	G1-период	23 хромосомы (по 2 хроматиды в каждой - всего 46 хроматид)
S-период	О Т С У Т С Т В У Е Т, репликации ДНК не происходит
G2-период	как и в G1-периоде
второе деление	профаза	23 хромосомы; 46 хроматид (по 2 хроматиды в каждой хромосоме)	см. митоз	см. митоз
метафаза	см. митоз	см. митоз
анафаза	по 23 хроматиды (гаплоидный набор) в каждой дочерней клетке	см. митоз	см. митоз
телофаза	см. митоз	см. митоз

 

 

Таблица 9

Данные (известные на сегодня) по количеству генов, вовлечённых в развитие и функционирование некоторых органов и тканей человека.

Название органа, ткани, клетки	Количество генов
1. Белая кровяная клетка
2. Гладкая мускулатура
3. Глаз
4. Желчный пузырь
5. Кожа
6. Легкие
7. Матка
8. Мозг
9. Молочная железа
10. Печень
11. Плацента
12. Поджелудочная железа
13. Селезенка
14. Семенник
15. Сердце
16. Скелетная мышца
17. Слюнная железа
18. Тонкий кишечник
19. Щитовидная железа
20. Эритроцит

 

Таблица 10

Характеристика форм изменчивости

Формы изменчивости	Причины появления	Значение	Примеры
Фенотипическая (модификационная) изменчивость	Изменение условий среды, в результате чего организм изменяется в пределах нормы реакции, заданной генотипом.	Адаптация — приспособление к данным условиям среды, выживание, сохранение потомства.	Белокочанная капуста в условиях жаркого климата не образует кочана. Породы лошадей и коров, завезенных в горы, становятся низкорослыми.
Генотипическая изменчивость	Мутационная	Влияние внешних и внутренних мутагенных факторов, в результате чего происходит изменение в генах и хромосомах.	Материал для естественного и искусственного отбора, так как мутации могут быть полезные, вредные и безразличные, доминантные и рецессивные.	Появление полиплоидных форм в популяции растений или у некоторых животных (насекомых, рыб) приводит к их репродуктивной изоляции и образованию новых видов, родов — микроэволюции.
Комбинативная	Возникает стихийно в рамках популяции при скрещивании, когда у потомков появляются новые комбинации генов.	Распространение в популяции новых наследственных изменений, которые служат материалом для отбора.	Появление розовых цветков при скрещивании белоцветковой и красноцветковой примул. При скрещивании белого и серого кроликов может появиться черное потомство.
Коррелятивная (соотносительная)	Возникает в результате свойства генов влиять на формирование не одного, а двух и более признаков.	Постоянство взаимосвязанных признаков, целостность организма как системы.	Длинноногие животные имеют длинную шею. У столовых сортов свеклы согласованно изменяется окраска корнеплода, черешков и жилок листа

Таблица 11

Сравнительная характеристика форм изменчивости

Характеристика	Модификационная изменчивость	Мутационная изменчивость
Объект изменения	Фенотип в пределах нормы реакции.	Генотип.
Отбирающий фактор	Изменение условий окружающей среды.	Изменение условий окружающей среды.
Наследование признаков	Не наследуются.	Наследуются.
Подверженность изменениям хромосом	Не подвергаются.	Подвергаются при хромосомной мутации.
Подверженность изменениям молекул ДНК	Не подвергаются.	Подвергаются в случае генной мутации.
Значение для особи	Повышает или понижает жизнеспособность. Продуктивность, адаптацию.	Полезные изменения приводят к победе в борьбе за существование, вредные — к гибели.
Значение для вида	Способствует выживанию.	Приводит к образованию новых популяций, видов и т. Д. В результате дивергенции.
Роль в эволюции	Приспособление организмов к условиям среды.	Материал для естественного отбора.
Форма изменчивости	Определенная (групповая).	Неопределенная (индивидуальная), комбинативная.
Подчиненность закономерности	Статистическая закономерность вариационных рядов.	Закон гомологических рядов наследственной изменчивости.

 

 

Рис. 22. Структуры белка.

1- первичная структура белка; 2 – вторичная структура белка; 3 – третичная структура белка; 4 – четвертичная структура белка.

 

 

Рис. 23. I закон Менделя. Закон единообразия гибридов первого поколения.

При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по одной паре альтернативных (взаимоисключающих) признаков, все потомство в первом поколении единообразно как по фенотипу, так и по генотипу.

 

Рис. 24 II закон Менделя. Закон расщепления гибридов первого поколения.

При скрещивании гибридов первого поколения между собой во втором поколении появляются особи как с доминантными, так и с рецессивными признаками и происходит расщепление по фенотипу в соотношении 3:1 (три доминантных фенотипа и один рецессивный) и 1:2:1 по генотипу. Такое расщепление возможно при полном доминировании.

Рис. 25. Гипотеза "чистоты" гамет

Находящиеся в каждом организме пары альтернативных признаков не смешиваются при образовании гамет и по одному от каждой пары переходят в них в чистом виде

 

 

Рис. 26. Неполное доминирование.

При неполном доминировании гетерозиготные особи имеют собственный фенотип, и признак носит промежуточный характер.

 

Рис. 26. III закон Менделя. Закон независимого комбинирования признаков

При дигибридном скрещивании у гибридов каждая пара признаков наследуется независимо от других и дает с ними разные сочетания. Образуются четыре фенотипические группы, характеризующиеся отношением 9:3:3:1

Признак	Ген
Желтый цвет горошин	А
Зеленый цвет горошин	a
Гладкая поверхность	B
Морщинистая поверхность	b

 

 

 

Рис. 27.Независимое распределение признаков при дигибридном скрещивании.

При скрещивании гибридов между собой во втором поколении появились особи с признаками, которых не было у исходных форм (желтые морщинистые и зеленые гладкие семена). Эти признаки наследуются независимо друг от друга. А, В, a, b - доминантные и рецессивные аллели, контролирующие развитие двух признаков. G - половые клетки родителей; F₁ - гибриды первого поколения; F₂ - гибриды второго поколения.

	АВ	Аb	aB	ab
АВ	AABB Желтый гладкий	AABb Желтый гладкий	AaBB Желтый гладкий	AaBb Желтый гладкий
Аb	AABb Желтый гладкий	AAbb Желтый морщинистый	AaBb Желтый гладкий	Aabb Желтый морщинистый
aB	AaBB Желтый гладкий	AaBb Желтый гладкий	aaBB Зеленый гладкий	aaBb Зеленый гладкий
ab	AaBb Желтый гладкий	Aabb Желтый морщинистый	aaBb Зеленый гладкий	аabb Зеленый морщинистый

 

Рис. 28.Кроссинговер.
1 - две гомологичные хромосомы; 2 - их перекрест во время конъюгации; 3 - две новые комбинации хромосом. В соматических диплоидных клетках содержатся две гомологичные хромосомы, одна отцовская и одна материнская. Они удваиваются в S-фазе клеточного цикла, образуя две пары сестринских хроматид. Хромосомы сближаются и между ними происходит кроссинговер - обмен участками между материнской и отцовской парами хроматид с образованием хроматид содержащих отцовские и материнские гены. Хромосомы конденсируются, выстраиваются и расходятся. Затем происходит второе деление мейоза.

 

 

ГЛАВА 2.ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

 

 

 

Рис. 29. Схема строения хромосомыв поздней профазе — метафазе митоза. 1—хроматида; 2—центромера; 3—короткое плечо; 4—длинное плечо.

 

Рис. 30. Типы хромосом.

 

 

Рис. 31.Пример разбивки хромосомы.

 

Таблица12

Пример обозначения локуса: "6p21.3"

Компонент номенклатуры	Означает
	Номер хромосомы
р	Плечо хромосомы: p (от фр. petit) — короткое; q — длинное.
21.3	Полоса 21, суб-полоса 3. Полосы видны под микроскопом после специальной окраски хромосом и нумеруются начиная с 1 от центромеры к конечному участку. Под-полосы и под-под-полосы определяются при высоком разрешении.

Аналогичным образом обозначается и более продолжительный участок. Например локус гена "11q14-q21" означает, что он находится на длинном плече хромосомы 11, участок между суб-полосой 4 полосы 1 и субполосой 1 полосы 2.

Конечные участки хромосомы обозначаются "ptel" и "qtel" от «теломерa».

 

Рис. 32. Графическое представление нормального человеческого кариотипа.

 

 

 

Рис. 33. Вид половых хромосом человека в метафазе митоза.

Активны только Хm хромосомы Активны только Хр хромосомы в этом клоне в этом клоне

Клетка в раннем эмбриогенезе

Паттерн конденсации хромосом

Паттерн конденсации хромосом

Паттерн конденсации хромосом

Конденсация случайно отобранных Х хромосом

 

 

Рис. 34. Инактивация одной Х хромосомы.

 

В начале 60-х годов прошлого века британский генетик Мэри Лайон, изучавшая генетические факторы, влияющие на специфику окраски шерсти у самок мышей, пришла к весьма неожиданному выводу: в каждой клетке организма самок работает только одна Х-хромосома, а вторая молчит, будучи практически полностью инактивированной. Причем, как выяснилось позднее, это отключение второй Х-хромосомы в клетках женских особей, срабатывающее практически у всех млекопитающих (в том числе и homo sapiens), происходит еще в процессе эмбрионального развития.

Рис. 35 Кариотип человека (мужской).   Хромосомы с 1 по 22 пронумерованы согласно размеру. Рисунок получен на ранних стадиях митоза. - - - - линией показаны центромеры. Шишечки на хромосомах 13, 14, 15, 21, 22 указывают на позиции генов, которые кодируют большие рибосомальные РНК.

50 миллионов пар нуклеотидов

 

 

Рис. 36. 22 хромосома человека в период митоза. Состоит из 2-х молекул ДНК, которые содержат 48×10⁶ пар нуклеотидов

 

 

ГЛАВА 3.ХРОМОСОМНЫЕ НАРУШЕНИЯ

 

 

 

 

Рис.37.Классификация мутаций по месту их возникновения

 

 

 

Рис. 38.Классификация мутаций по адаптивному значению.

 

 

Рис.39. Классификация мутаций по характеру проявления.

 

 

 

Рис. 40.Классификация мутаций по характеру изменения генотипа

 

 

(А) Стволовые клетки

Изменение функции белка

Быстро сек. – мин.

Ядро

Изменение структуры и функции

Изменение синтеза белка

РНК

ДНК

Изменение работы клетки

Внутриклеточный сигнальный путь

Поверхностный рецептор

Медленно мин. – час.

Поверхностный рецептор

Внеклеточная сигнальная молекула

 

 

Рис. 41. Внутриклеточные сигналы могут быстро или медленно изменять работу клетки.

 

 

 

 

Рис. 42. Изменения структуры хромосом.

 

 

 

Рис. 43.Инверсия; a - нормальная хромосома, b - парацентрическая инверсия, c - перицентрическая инверсия.

 

 

Рис. 44.Делеция.

 

Хромосома 4

Хромосома 4

Хромосома 20

Хромосома 20

До транслокации После транслокации

 

Рис. 45. Реципрокная транслокация 4 и 20 хромосом человека.

 

 

 

Рис. 46.Дупликация

 

 

 

 

Рис.47.Кариотип 46,XY,t(1;3)(p21;q21),del(9)(q22).

Показаны транслокация (перенос фрагмента) между 1-й и 3-й хромосомами, делеция (потеря участка) 9-й хромосомы. Маркировка участков хромосом дана как по комплексам поперечных меток (классическая кариотипизация, полоски) так и по спектру флуоресценции (цвет, спектральная кариотипизация).

 

 

ГЛАВА 4.НАСЛЕДСТВЕННАЯ ПАТОЛОГИЯ