Один ген — один полипептид

Фермент, как и любой другой белок, может состоять из нескольких субъединиц, объединённых в одно целое. Такие субъединицы, представляющие собой индивидуальные полипептидные цепи (полипептиды), могут объединяться за счёт т. н., не ковалентных белок-белковых взаимодействий, или за счёт ковалентных связей. Например, за счёт –S–S– связей между цистеинами, (аминокислотами, содержащими –SH группу), расположенными в разных полипептидах.

В 1953 г американский генетик Сеймур Бензер, исследуя особенности рекомбинации между двумя различными мутантами бактериофага Т4, одновременно заражавших кишечную палочку Escherichia coli, установил, что ген — это линейная структура, кодирующая синтез одного полипептида, а функциональный белок может состоять из нескольких полипептидов., при этом полипептиды в индивидуальном виде свою функцию, например, ферментативную, выполнять не могут за исключением случаев, когда функциональный белок (фермент, например) состоит из одной полипептидной цепи.

После обнаружения, что наследственные признаки определяются именно ДНК, сделанного в 1928 г Ф. Гриффитом и О. Эвери, и подтверждённого Ч. Мак-Леодом и М. Мак-Карти в 1944 г, а так же после открытия Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г того, что ДНК — это линейная двунитевая молекула, стало ясным, что

ген — это участок ДНК, в котором последовательность нуклеотидов определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

Участок ДНК, в котором расположена нуклеотидная последовательность, кодирующая единый полипетид иногда называется цистроном (от наименования т. н., „цис-транс теста“, с помощью которого С. Бензер сделал своё открытие). Кроме этого названия употребляется так же термин „структурный ген“, ибо ген кодирует структуру белковой молекулы.

Расшифровка генетического кода, сделанная в 1961 г Маршаллом Ниренбергом, блестяще подтвердила это положение. Но означает ли оно, что все гены кодируют полипептидные цепи? Оказалось, что нет. Во-первых, есть гены, которые кодируют не информационные РНК, а так называемые стабильные РНК, которые функциональны как таковые и матрицами для синтеза белков не являются. Это, прежде всего, гены рибосомальных ДНК и гены транспортных РНК. Рибосомальные РНК являются компонентами рибосом, а транспортные РНК принимают участие в трансляции, в синтезе полипептидных цепей, кодируемых структурными генами. Но есть ещё один класс генов, которые не кодируют ни полипептидных цепей, ни стабильных РНК.

Регуляторный ген — участок ДНК,

к которому присоединяется регуляторный белок

Именно фенотип мутации указывает на то, что может определять ген. Георг Мендель обнаружил, что мутации изменяют морфологию („морфологические мутации“), Арчибальд Гаррод, — что биохимическую реакцию („биохимические мутации“), Сеймур Бензер, — что структуру полипептида (мутации в структурных генах). Новый тип мутаций и новые функции генов в пятидесятые годы прошлого века обнаружили французские генетики Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андрэ Львов. Оказалось, что у кишечной палочки одна мутация может приводить к исчезновению активности сразу нескольких генов. Для того, чтобы использовать в качестве пищи молочный сахар — лактозу E.coli применяет сразу три фермента. Была обнаружена мутация, которая находилась вне этих трёх генов, но приводила к тому, что активности всех трёх ферментов отсутствовали и такие мутантные клетки не могли расти на среде с лактозой. Выяснилось, что эти три гена транскрибируются ДНК зависимой РНК полимеразой без остановок. (ДНК зависимая РНК полимераза — фермент. осуществляющий синтез РНК на матрице ДНК, далее для краткости — РНК полимераза). В результате образуется единая длинная матричная РНК, которая кодирует все три соответствующих фермента. Поскольку одна мРНК кодирует несколько полипептидов (цистронов), она была названа полицистронной. Стало ясным, что мутации в той части ДНК, которая находится перед тремя структурными генами, приводит к невозможности транскрипции и. как результат, одна мутация приводила к отсутствию трёх ферментов.

Участки ДНК, необходимые для транскрипции структурных генов, к которым присоединяются либо РНК-полимераза (либо специальные белки, регулирующие, включающие или выключающие, транскрипцию) были названы регуляторными генами. В этих генах расположены особые последовательности нуклеотидов, с которыми связываются регуляторные белки, которые, в свою очередь, имеют для этого в составе своей молекулы специфические последовательности аминокислот. „узнающие особые последовательности“ нуклеотидов. Понимание молекулярных механизмов такого „белок-нуклеинового“ узнавания необходимо, в частности, для генной инженерии при конструировании организмов с заранее заданными механизмами регуляции генов. Наиболее распространённые типы регуляторных генов — это промоторы (к ним присоединяется РНК полимераза, чтобы начать транскрипцию), терминаторы (на таких участках РНК полимераза кончает транскрипцию), операторы (к ним присоединяются белки — репрессоры. выключающие работу РНК полимеразы), энхансеры и сайленсеры — участки ДНК, к которым присоединяются особые белки. изменяющие скорость транскрипции и тем самым, скорость синтеза соответствующих белков.