Графическое представление нормального человеческого кариотипа

Графическое представление человеческого генома

Геном человека

Геном человека - это геном биологического вида Homo sapiens. В нормальной ситуации в большинстве клеток человека должно присутствовать 46 хромосом: 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), 2 X-хромосома и Y-хромосома - определяют пол (XY - у мужчин или ХХ - у женщин). Хромосомы в общей сложности содержат приблизительно 3 миллиарда пар оснований нуклеотидов ДНК, в которых по оценкам содержится 20000-25000 генов. В ходе выполнения проекта «Геном человека» содержимое хромосом находящихся в стадии интерфаза в клеточном ядре (вещество эухроматин) было выписано в виде последовательности символов. В настоящее время эта последовательность активно используется по всему миру в биомедицине. В ходе исследований выяснилось, что человеческий геном содержит значительно меньшее число генов, нежели ожидалось в начале проекта. Только для 1.5 % всего материала удалось выяснить функцию, остальная часть составляет так называемую мусорную ДНК. В эти 1,5 % входят собственно сами гены, которые кодируют РНК и белки, а также их регуляторные последовательности, интроны и, возможно, псевдогены).

 Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом (46 суммарно), где каждая хромосома содержит сотни генов разделённых межгенным пространством. Межгенное пространство содержит регуляторные участки и не ничего не кодирующую ДНК.

В геноме присутствует 24 различных хромосомы: 22 из них не влияют на пол и 2 хромосомы X и Y задают пол. Хромосомы с 1-ой по 22-ую пронумерованы в порядке уменьшения их размера. Соматические клетки обычно имеют 23 хромосомных пары: по одной копии хромосом с 1-ой по 22-ую от каждого родителя соответственно, а также X хромосому от матери и Y или X хромосому от отца. В общей сложности получается, что в соматической клетке содержится 46 хромосом.

Гены

По оценкам в человеческом геноме 20,000-25,000 генов, кодирующих белок. Оцененное число генов, кодирующих белок, уменьшается с каждым новым пересмотром генома. Начальная оценка была более чем 100 тысяч генов. В связи с усовершенствованием методов поиска генов (предсказание генов) предполагается дальнейшее уменьшение числа генов.

Удивительным оказался тот факт, что число человеческих генов значительно меньше (разница более чем в 2 раза) чем у многих более простых организмов, например, дождевого червя и мушки дрозофилы. Так происходит из за того, что в человеческом геноме широко представлен альтернативный сплайсинг. Альтернативный сплайсинг позволяет получить несколько различных белковых цепочек с одного гена. В результате человеческий протеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов. Большинство человеческих генов имеют множественные экзоны, и интроны часто оказываются значительно более длинными, чем граничные экзоны в гене.

Гены неравномерно распределены по хромосомам. Каждая хромосома содержит богатые и бедные генами участки. Эти участки коррелируют с хромосомными бандами (полосы поперёк хромосомы, которые видно в микроскоп) и с CG-богатыми участками. В настоящий момент значимость такого неравномерного распределения генов не вполне изучена.

Кроме кодирующих белок генов человеческий геном содержит тысячи РНК-генов, включая транспортную РНК (tRNA), рибосомную РНК, микро РНК (microRNA) и прочие не кодирующие белок РНК последовательности.

Регуляторные последовательности

В человеческом геноме найдено множество различных последовательностей, отвечающих за регуляцию гена. Под регуляцией понимается контроль экспрессии гена (процесс построения матричной РНК по участку молекулы ДНК). Обычно это короткие последовательности, находящиеся либо рядом с геном, либо внутри гена. Иногда они находятся на значительном расстоянии от гена (енхансеры). Систематизация этих последовательностей, понимание механизмов работы, а также вопросы взаимной регуляции группы генов группой соответствующих ферментов на текущий момент находятся только на начальной стадии изучения. Взаимная регуляция групп генов описывается с помощью сетей регуляции генов. Изучение этих вопросов находится на стыке нескольких дисциплин: прикладной математики, высокопроизводительных вычислений и молекулярной биологии. Знания появляются из сравнений геномов различных организмов и благодаря достижениям в области организации искусственной транскрипции гена в лабораторных условиях.

Идентификация регуляторных последовательностей в человеческом геноме частично была произведена на основе эволюционной консервативности (свойства сохранения важных фрагментов хромосомной последовательности, которые отвечают примерно одной и той же функции). Согласно некоторой гипотезе, в эволюционном дереве ветвь разделяющая человека и мышь появилась приблизительно 70-90 миллионов лет назад. Для двух геномов компьютерными методами были выявлены консервативные последовательности (последовательности идентичные или очень слабо отличающиеся в сравниваемых геномах) в не кодирующей части и оказалось, что они активно участвуют в механизмах регуляции генов для обоих организмов.

Другой подход получения регуляторных последовательностей основан на сравнении генов человека и рыбы фугу. Последовательности генов и регуляторные последовательности у человека и рыбы фугу существенно схожи, однако геном рыбы фугу содержит в 8-раз меньший объём «мусорной ДНК». Такая «компактность» рыбьего генома позволяет значительно легче искать регуляторные последовательности для генов.

Прочие объекты в геноме

Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5 % генома. Не учитывая известные регуляторные последовательности в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, если она вообще существует, на текущий момент не выяснена. Фактически эти объекты занимают до 97 % всего объёма человеческого генома.

Представленная классификация не является исчерпывающей. Большая часть объектов вообще не классифицирована мировой научной общественностью на текущий момент.

Соответствующие последовательности, скорее всего, являются эволюционным артефактом. В современной версии генома их функция выключена, и на эти участки генома многие ссылаются как на «мусорную ДНК». Однако существует масса свидетельств, которая говорит о том, что эти объекты обладают некоторой функцией, которая не вполне понятна на текущий момент.

Псевдогены

Эксперименты с микромассивами ДНК показали, что достаточно серьёзный объём участков генома, не являющихся генами, вовлечён в процесс транскрипции.

Аминокислоты

(аминокарбоновые кислоты) - органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы.

Аминокислоты могут рассматриваться как производные карбоновых кислот, в которых один или несколько атомов водорода заменены на аминные группы.

Аминокислоты могут проявлять как кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулах карбоксильной группы -COOH, так и основные свойства, обусловленные аминогруппой -NH2. Растворы аминокислот в воде благодаря этому обладают свойствами буферных растворов.

Цвиттер-ионом называют молекулу аминокислоты, в которой аминогруппа представлена в виде -NH3+, а карбоксигруппа - в виде -COO-. Такая молекула обладает значительным дипольным моментом при нулевом суммарном заряде. Именно из таких молекул построены кристаллы большинства аминокислот.

Некоторые аминокислоты имеют несколько аминогрупп и карбоксильных групп. Для этих аминокислот трудно говорить о каком-то конкретном цвиттер-ионе.

2) Важной особенностью аминокислот является их способность к поликонденсации, приводящей к образованию полиамидов, в том числе пептидов, белков и нейлона-66.

3) Изоэлектрической точкой аминокислоты называют значение pH, при котором максимальная доля молекул аминокислоты обладает нулевым зарядом. При таком pH аминокислота наименее подвижна в электрическом поле, и данное свойство можно использовать для разделения аминокислот, а также белков и пептидов.

4) Аминокислоты обычно могут вступать во все реакции, характерные для карбоновых кислот и аминов.

Изомерия

Все входящие в состав живых организмов α-аминокислоты, кроме глицина, содержат асимметричный атом углерода (треонин и изолейцин содержит два асимметричных атома) и обладают оптической активностью. Почти все встречающиеся в природе α-аминокислоты имеют L-форму и лишь они входят в состав белка.

Данную особенность «живых» аминокислот весьма трудно объяснить, так как в реакциях между оптически неактивными веществами или рацематами (из которых, видимо, состояла древняя Земля) L и D-формы образуются в одинаковых количествах. Приходится считать, что это - просто результат случайного стечения обстоятельств: самая первая молекула, с которой смог начаться матричный синтез, была оптически активной, а других пригодных молекул почему-то не образовалось.

Оптические изомеры аминокислот претерпевают медленную самопроизвольную неферментативную рацемизацию. Например, в белке дентине (входит в состав зубов) L-аспартат переходит в D-форму со скоростью 0,1% в год, что может быть использовано для определения возраста биологических объектов.

Альфа-аминокислоты белков

В процессе биосинтеза белка в полипептидную цепь включаются 20 важнейших α-аминокислот, кодируемых генетическим кодом. Часто для запоминания однобуквенного обозначения используется мнемоническое правило (добавлено через слэш)

Аланин (Ala, A)\Alanine Аргинин (Arg, R)\aRginine Аспарагиновая кислота (Asp, D)\asparDic acid Аспарагин (Asn, N)\asparagiNe Валин (Val, V)\Valine Гистидин (His, H)\Histidine Глицин (Gly, G)\Glycine Глутаминовая кислота (Glu, E)\gluEtamic acid Глутамин (Gln, Q)\Q-tamine Изолейцин (Ile, I)\Isoleucine

Лейцин (Leu, L)\Leucine Лизин (Lys, K)\before L Метионин (Met, M)\Methionine Пролин (Pro, P)\Proline Серин (Ser, S)\Serine Тирозин (Tyr, Y)\tYrosine Треонин (Thr, T)\Treonine Триптофан (Trp, W)\tWo rings Фенилаланин (Phe, F)\Fenylalanine Цистеин (Cys, C)\Cysteine

Помимо этих аминокислот, называемых стандартными, в некоторых белках присутствуют специфические нестандартные аминокислоты, являющиеся производными стандартных. В последнее время к стандартным аминокислотам иногда причисляют селеноцистеин (Sec, U).

Классификация стандартных аминокислот по R-группам

• Неполярные: аланин, валин, изолейцин, лейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин

• Полярные незаряженные (заряды скомпенсированы)при pH=7: аспарагин, глицин, глутамин, серин, тирозин, треонин, цистеин

• Полярные заряженные отрицательно при pH=7: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота

• Полярные заряженные положительно при pH=7: аргинин, гистидин, лизин

 Классификация стандартных аминокислот по функциональным группам

• Алифатические

• o Моноаминомонокарбоновые: аланин, валин, глицин, изолейцин, лейцин

• o Оксимоноаминокарбоновые: серин, треонин

Моноаминодикарбоновые: аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, за счёт второй карбоксильной группы имеют несут в растворе отрицательный заряд

Амиды Моноаминодикарбоновых: аспарагин, глутамин

Диаминомонокарбоновые: аргинин, гистидин, лизин, несут в растворе положительный заряд

Серосодержащие: цистеин (цистин), метионин

Ароматические: фенилаланин, тирозин

Гетероциклические: триптофан, гистидин, пролин (также входит в группу иминокислот)

Иминокислоты: пролин (также входит в группу гетероциклических)

Классификация стандартных аминокислот по аминоацил-тРНК-синтетазам

Класс I

лейцин, изолейцин, валин, цистеин, метионин, аргинин, глутаминовая кислота, глутамин, тирозин

Класс II

аланин, глицин, пролин, гистидин, треонин, серин, аспарагин, аспарагиновая кислота, лизин, фенилаланин

 «Миллеровские» аминокислоты

Обобщенное название аминокислот, получающихся в условиях, близких к эксперименту Стенли Л. Миллера 1953 года. По всей видимости имеют отношение к интенсивно обсуждаемой «доклеточной» эволюции генетического кода. лейцин, изолейцин, валин, аланин, глицин, пролин, треонин, серин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота

Незаменимые аминокислоты - необходимые аминокислоты, которые не могут быть синтезированы в том или ином организме, в частности, в организме человека. Поэтому их поступление в организм с пищей необходимо.

Незаменимыми для человека и животных аминокислотами являются: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треони́н, триптофан и фенилалани́н.

Содержание незаменимых аминокислот в еде

Аргинин содержится в твороге, морепродуктах, курином мясе, грецких орехах, печени, шоколаде.
Валин содержится в зерновых, мясе, грибах, молочных продуктах, арахисе, сое
Гистидин содержится в тунце, лососе, свиной вырезке, говяжьем филе, куриных грудках, сое, арахисе, чечевице.
Изолейцин содержится в миндале, кешью, курином мясе, турецком горохе (нут), яйцах, рыбе, чечевице, печени, мясе, ржи, большинстве семян, сое.
Лейцин содержится в мясе, рыбе, буром рисе, чечевице, орехах, большинстве семян.
Лизин содержится в рыбе, мясе, молочных продуктах, пшенице,орехах.
Метионин содержится в молоке, мясе, рыбе, яйцах, бобах, фасоли, чечевице и сое.
Треонин содержится в молочных продуктах и яйцах, в умеренных количествах в орехах и бобах.
Триптофан содержится в мясе, овсе, бананах, сушёных финиках, арахисе, кунжуте, кедровых орехах, молоке, йогурте, твороге, рыбе, курице, индейке.
Фенилаланин содержится в говядине, курином мясе, рыбе, соевых бобах, яйцах, твороге, молоке. Также является составной частью синтетического сахарозаменителя - аспартама, активно используемого в пищевой промышленности.

Таблица содержания незаменимых аминокислот в продуктах

(грамм на 100 грамм продукта)

№ п/п	продукт	лейцин	изолейцин	гистидин	тирозин	глицин	лизин	валин	метионин	фенилаланин
1	Молоко женское	0,108	0,062	0,028	0,06	0,042	0,082	0,072	0,022	0,056
2	Молоко коровье	0,278	0,182	0,081	0,119	0,03	0,218	0,189	0,068	0,136
3	Кефир	0,263	0,173	0,075	0,112	0,056	0,209	0,183	0,063	0,138
4	Творог	0,924	0,548	0,306	0,456	0,184	0,725	0,695	0,263	0,491
5	Яйцо куриное	1,13	0,83	0,294	0,515	0,37	0,883	0,895	0,378	0,732
6	Мясо говяжье	1,73	1,06	0,805	0,596	1,447	2,009	1,156	0,528	0,789
7	Мясо куриное	1,62	1,117	0,697	0,66	1,519	1,975	1,024	0,494	0,932
8	Печень говяжья	1,543	0,8	0,439	0,47	0,903	1,295	0,987	0,345	0,845
9	Треска	1,222	0,879	0,54	0,439	0,525	1,551	0,929	0,488	0,651
10	Крупа рисовая	1,008	0,369	0,135	0,176	0,63	0,142	0,425	0,223	0,313
11	Крупа манная	0,364	0,258	0,186	0,158	0,263	0,32	0,386	0,103	0,399
12	Крупа гречневая	0,702	0,301	0,203	0,16	0,796	0,431	0,343	0,183	0,395
13	Крупа овсяная	0,672	0,302	0,137	0,234	0,453	0,384	0,384	0,198	0,363
14	Крупа пшенная	1,04	0,244	0,137	0,226	0,22	0,226	0,333	0,207	0,48
15	Крупа перловая	0,584	0,258	0,152	0,148	0,308	0,286	0,313	0,173	0,331
16	Горох	1,204	0,78	0,395	0,227	0,48	0,984	0,804	0,16	0,763
17	Мука пшеничная	0,567	0,29	0,096	0,149	0,149	0,12	0,387	0,108	0,322
18	Макаронные изделия	0,69	0,38	0,133	0,253	0,215	0,139	0,412	0,12	0,488
19	Хлеб ржаной	0,275	0,146	0,118	0,293	0,217	0,132	0,062	0,062	0,278
20	Хлеб пшеничный	0,55	0,25	0,106	0,162	0,264	0,103	0,286	0,088	0,33
21	Печенье	0,357	0,171	0,247	0,088	0,172	0,08	0,054	0,054	0,334
22	Грибы шиитаки	7,0	4,4	1,80	3,5	Нет данных	3,5	5,2	1,8	5,3

Компенсация незаменимых аминокислот

Не смотря на то, что самостоятельно организм не способен синтезировать незаменимые аминокислоты, их недостаток в некоторых случаях все же может быть частично компенсировн. Так например недостаток поступающего вместе с пищей незаменимого фенилаланина может быть частично замещен заменимым тирозином. Гомоцистеин вместе с необходимым количеством доноров метильных групп, снижает потребности в метионине, а глутаминовая кислота частично замещает аргинин. В то же время необходимо отметить, что недостаток хотя бы одной незаменимой аминокислоты, приводит к неполному усвоению и других аминокислот. В таких условиях развитие организмов напрямую зависит от того незаменимого вещества, недостаток которого ощущается наиболее остро (закон минимума Либиха). Так же необходимо помнить, что для разных видов организмов список незаменимых аминокислот в некоторых случаях различен.