Структура генов. 
Биохимия человека

Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллиона пар нуклеотидов, в которых закодирована генетическая информация (число и последовательность аминокислот) о первичной структуре белка.

Для правильного считывания информации в гене должны присутствовать: кодон инициации, множество смысловых кодонов и кодон терминации.

В последовательности нуклеотидов двухцепочечной ДНК каждые три пары нуклеотидов кодируют одну из 20 аминокислот. Эти три пары подряд расположенных нуклеотидов являются ключевыми «словами» для аминокислот и называются кодонами.

Каждый кодон соответствует одному аминокислотному остатку в белке (табл. 8.19). Кодон определяет, какая аминокислота будет располагаться в данной позиции в белке.

Генетический код

Таблица 8.19

Например, в молекуле ДНК последовательность оснований AUG является кодоном для аминокислоты метионина (Met), а последовательность UUU кодирует фенилаланин Phe. В молекуле иРНК вместо тимина (Т) присутствует основание урацил (U).

Из 64 возможных вариантов кодонов смысловыми являются 61, а триплеты UAA, UAG не кодируют аминокислоты и поэтому были названы бессмысленными. Однако они представляют собой знаки окончания (терминации) трансляции ДНК.

Знания нуклеотидной последовательности в молекулах ДНК недостаточно без знания принципов кодирования и программирования, лежащих в основе транскрипции, трансляции и регуляции экспрессии генов.

Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурные гены бактерии, фага или вируса, как правило, контролируют синтез одного белка (одну ферментативную реакцию).

Специфичным для прокариот является оперонная система организации нескольких генов. Оперон — несколько генов, расположенных в кольцевой хромосоме бактерии рядом. Они контролируют синтез ферментов, осуществляющих последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый опероны).

Структура генов бактеориофагов и вирусов в основном схожа со структурой генов бактерий, но более усложнена и сопряжена с геномом хозяев.

Например, у фагов и вирусов обнаружено перекрывание генов. Полная зависимость вирусов эукариот от метаболизма клетки-хозяина привела к появлению экзон-интронной структуры генов.

Эукариотические гены, в отличие от бактериальных, имеют прерывистое мозаичное строение.

Кодирующие последовательности (экзоны) перемежаются с некодирующими (нитронами). В результате структурные гены эукариот имеют более длинную нуклеотидную последовательность, чем соответствующая зрелая информационная и PH К. Последовательность нуклеотидов в иРНК соответствует экзонам.

В процессе транскрипции информация о гене списывается с ДНК на промежуточную иРНК (про-иРНК), состоящую из экзонов и интронов-вставок. Затем специфические ферменты — рестриктазы — разрезают эту про-иРНК по границам экзон-интрон. После этого экзонные участки соединяются (сплайсинг), образуя зрелую иРНК. Число нитронов может варьировать в разных генах от нуля до многих десятков, а длина меняется в пределах от нескольких пар до нескольких тысяч оснований.

Наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей, функции которых изучены недостаточно. Обнаружены также мигрирующие (мобильные) гены, способные перемещаться по геному.

Геномом организма называется полный одинарный набор генетического материала этого организма. В геном входят все последовательности нуклеотидов ДНК хромосом, ДНК митохондрий и хлоропластов растений.

Величина генома, выраженная в парах нуклеотидов, сильно варьирует у разных организмов. Геном эукариот значительно больше, чем у прокариот.

Например, геном самого маленького микроорганизма микоплазмы содержит миллион (Кг) пар нуклеотидов, у амфибий и цветковых растений он составляет сто миллиардов (10^{, г}) пар нуклеотидов. Однако даже у организмов одной и той же таксономической группы наблюдается высокая вариабельность размера генома.

С 1990 г. интенсивно разрабатывалась международная программа «Геном человека». Ее основными задачами являлись идентификация генов человека и выяснение первичных нуклеотидных последовательностей (секвенирование) человеческого генома. Секвенирование всего генома человека в 2000 г. в основном завершено.

Однако определение первичных нуклеотидных последовательностей само по себе не обеспечивает понимания функциональной значимости этих последовательностей, а является лишь предпосылкой для дальнейшего изучения молекулярных механизмов функционирования генов и генома в целом.

В настоящее время составлена генетическая и физическая карта генома человека высокого разрешения. Число определенных генов около 50 тыс., что близко к теоретически рассчитанному числу генов человека.

Расшифрована полная структура нуклеотидных последовательностей хромосом и митохондриального генома человека, а также многих тысяч генов, контролирующих наследственные особенности физиологии и болезни. Использование индивидуальных особенностей генома имеет большие перспективы в планировании физической подготовки.

В данной главе рассматривались макрокомпоненты организма человека (см. рис. 8.1) — жидкие среды, белки, углеводы, липиды, нуклеотиды. Микрокомпоненты организма человека — витамины, гормоны, микроэлементы, функционирующие, главным образом, как эффекторы, рассмотрены в соответствующих разделах.