Перейти на главную страницу
Наследственная информация осуществляется при участии рибонуклеиновых кислот.
Раскрытию ведущей роли нуклеиновых кислот, особенно ДНК, в наследственности предшествовали экспериментальные работы Ф. Гриффитса. Он наблюдал в 1928 г. изменение наследственного признака у бактерий пневмококков (Diplococcus pneumoniae). У этого вида имеется несколько штаммов, в том числе штаммы S и R. Штамм S вызывает гибель животных от пневмонии. Он имеет полисахаридную слизистую капсулу и образует гладкие колонии. Штамм R — авирулентный, капсулы не имеет и образует шероховатые колонии. Ф. Гриффите заражал мышей смесью живых бескапсульных бактерий R-штамма и убитых нагреванием капсульных пневмококков S-штамма. Мыши заболевали пневмонией и погибали, а выделенные из них живые клетки были как R -, так и S-штаммов. Следовательно, произошло превращение (трансформация) некоторых бескапсульных бактерий R-штамма в вирулентные капсульные бактерии S-штамма,
В 1944 г. американский микробиолог О. Эвери с сотрудниками повторил эксперимент Ф. Гриффитса. Из бактерий штамма S он выделил ДНК и внес ее в питательную среду, на которой размножались бактерии авирулентного штамма R.
Значительная часть авирулентных бескапсульных бактерий R -штамма трансформировалась в капсульные вирулентные бактерии S-штамма. Это явление дало Эвери основание утверждать о ведущей роли ДНК в переносе наследственной информации от одного штамма бактерий к другому и послужило началом разработки молекулярной теории наследственности.
Явление трансформации в последующие годы было доказано у самых различных видов бактерий, у дрожжей, а также у многоклеточных организмов. Так, доминантный ген темной окраски яиц (грены) от одной породы тутового шелкопряда был трансформирован насекомым другой породы, имеющим белую окраску яиц.
В 1952 г. Н. Циндлер и Дж. Ледерберг открыли явление трансдукции. Трансдукцией называют перенос наследственной информации в виде фрагмента ДНК вирусами (бактериофагами) от одного штамма бактерий (донора) другому (реципиенту) и включение этого фрагмента в генотип реципиента. Явление трансдукции было открыто на тифозных бактериях, (Salmonella typhimurium). В U-образную трубку, разделенную посредине бактериальным фильтром (рис. 30), были помещены бактерии штамма 22А, не способные синтезировать аминокислоту триптофан (Т-), и бактерии штамма 2 А, способные синтезировать данную аминокислоту (Т +). В среду был внесен бактериофаг, и после совместного культивирования некоторые клетки штамма 22А приобрели способность синтезировать триптофан. Таким образом было доказано, что бактериофаги могут являться переносчиками наследственной информации от бактерий одного штамма бактериям другого штамма.
Американский ученый Хейши совместно с М. Чейзом в 1952 г. размножали ДНК-содержащий вирус — бактериофаг Т-2 на среде, содержащей радиоактивные серу и фосфор, что позволило пометить ДНК фага радиоактивным фосфором Р35, а белковую оболочку фага — радиоактивной серой S33. При заражении бактерий данными фагами в них попадала только меченая ДНК, а белковая оболочка, меченная радиоактивной серой, оставалась снаружи. В зараженной клетке образовалось множество вирионов фага, Следовательно, генетическая информация, необходимая для синтеза ДНК фагов, содержится в ДНК проникших в клетку вирусов.
Дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК — является уникальным носителем наследственной информации как у прокариотов, так и у эукариотов. Только у некоторых форм простейших вирусов наследственная информация закодирована не в ДНК, а в рибонуклеиновой кислоте.
Доказательством ведущей роли ДНК в наследственности является то, что, она локализована главным образом в хромосомах, поэтому молекулярная генетика не противоречит хромосомной теории наследственности и законам классической генетики. Количество ДНК в клетках каждого организма относительно постоянно, причем в половых клетках — гаметах — количество ее в два раза меньше, чем в соматических, что соответствует поведению хромосом в мейозе и при оплодотворении. Одним из главнейших свойств ДНК является ее способность самоудваиваться (реплицироваться) в интерфазе митотического цикла, благодаря чему в каждой клетке многоклеточного организма сохраняется полный объем наследственной информации. ДНК относительно константна.
Особенности строения молекулы ДНК свидетельствуют об ее исключительном многообразии, видовой и индивидуальной специфичности. Изменение в строении молекулы ДНК обусловливает изменение признака или свойства организма.
Строение молекулы ДНК. ДНК — сложный биополимер, состоящий из 108 нуклеотидов и более. Каждый нуклеотид включает три компонента — остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар — дезоксирибозу и одно из четырех азотистых оснований: пуриновых — аденин или гуанин — либо пиримидиновых — тимин или цитозин.
Специфичность каждого нуклеотида в молекуле ДНК определяется наличием соответствующего азотистого основания, поэтому нуклеотиды принято обозначать начальными буквами азотистых оснований: А — аденин, Г — гуанин, Т — тимин, Ц — цитозин. Нуклеотиды соединяются между собой, образуя длинную цепочку,
химическим остовом, которой служат остатки фосфорной кислоты, которые связаны фосфодиэфирными связями с 5' углеродом одной молекулы пентозного сахара и 3' углеродом другой (рис. 31). К первому атому углерода каждой молекулы пентозного сахара присоединяется одно из четырех азотистых оснований. Благодаря такому соединению нуклеотидов молекула ДНК обладает полярностью: репликация ДНК на матричной нити идет в направлении от 5'к 3'. Структурная формула молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком (рис. 32). Молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, соединенных комплементарно. Каждый нуклеотид одной цепочки соединяется водородными связями с нуклеотидом другой цепочки строго закономерно: аденин соединяется с тимином, гуанин — с цитозином. Аденин соединяется с тимином двумя, а цитозин с гуанином — тремя водородными связями. Число пурииовых нуклеотидов (А+ +Г) равно числу пиримидиновых Ц+Т, то есть отношение (А+ +Г) : (Т+Ц) =1. Две комплементарные нити образуют правовинтовую спираль, каждый виток которой имеет длину 3,4 нм, расстояние между нуклеотидами 0,34 нм. Азотистые основания ориентированы к середине спирали. Для хромосом эукариотов характерно линейное строение молекулы ДНК, у прокариотов, плазмид, митохондрий и пластид молекулы ДНК бывают замкнуты в кольцо.
обладает исключительным многообразием. Если, предположить, что у млекопитающих в ДНК содержится 108 нуклеотидов, то число молекул ДНК, различающихся по порядку чередования нуклеотидов, будет 4 в степени 108. Таким образом, в молекуле ДНК доожет быть записан практически любой объем наследственной информации и у каждой особи эта запись уникальна и специфична.
Репликация молекулы ДНК. Репликацией называют процесс самокопирования молекулы ДНК с точным соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего исходным комплементарным нитям.
У многоклеточных организмов в результате слияния гамет при оплодотворении образуется зигота, в которой содержится наследственная информация гаплоидных геномов родительских особей. В онтогенезе из зиготы в результате митоза образуются миллиарды клеток, каждая из которых несет в себе всю генетическую информацию. Об этом свидетельствует тот факт, что у многих видов растений — табака, картофеля, бегонии, моркови и других — из одной клетки, взятой из корня, листа, клубня или другого органа, можно получить целое растение, имеющее характерные признаки исходного. Это возможно благодаря тому, что молекула ДНК способна к самовоспроизведению в процессе репликации.
Репликация происходит в период синтеза (5-период) интерфазы митотического цикла. На отдельных участках молекулы ДНК образуются так называемые вилки репликации. В этих местах водородные связи между азотистыми основаниями под действием соответствующих ферментов разрываются, комплементарные нити разъединяются и каждая из них становится матрицей, на которой происходит синтез дочерних нитей. Такой тип репликации получил название полуконсервативного; он был убедительно доказан в опытах М. Мезельсон и,Ф. Сталь (1958) на бактериях Е. coli и Дж. Тейлором на проростках семян кормовых бобов Vicia faba.
Бактерии кишечной палочки сначала выращивали на среде, содержащей тяжелый изотоп азота —N15. Затем они были перенесены на среду, содержащую только N14. Через определенные промежутки времени из клеток выделяли ДНК и с помощью центрифугирования в соответствующем растворителе разделяли на фракций. Молекулы ДНК, выделенные из исходных бактерий, содержали изотоп N15. По мере роста бактерий на среде, содержащей N14, сначала в ДНК содержались нити, одна из которых включала N14, другая — N15, а затем наряду с молекулами, нити которых содержали N14+N16, появились молекулы ДНК, содержащие только N14 (рис. 33).
Процесс репликации протекает при участии комплекса ферментов, главнейшие из которых получили название ДНК-полимераз, одновременно на двух комплементарных нитях. Участок молекулы ДНК в том месте, где начали расплетаться комплементарные нити, называются вилкой репликации. Она образуется у прокариот, плазмид, митохондрий и пластид в одной определенной, генетически фиксированной точке. В молекуле ДНК у эукариот таких «стартовых точек» бывает несколько.
У эукариот на каждой комплементарной нити ДНК процесс репликации идет неодинаково, так как они антипараллельны, поэтому одна из нитей называется «лидирующей», другая — «запаздывающей». «Лидирующая» нить синтезируется от 5' конца к 3' при участии фермента ДНК-полимеразы в виде сплошной комплементарной нити (рис. 34).
Синтез «запаздывающей» нцти протекает сложнее с участием комплекса ферментов. Вначале образуются отрезки — реплики новой дочерней нити ДНК, прочное соединение которых осуществляет фермент лигаза. Эти отрезки новой нити ДНК содержат у эукариот 100 — 200 нуклеотидов, у прокариот — 1000 — 2000 нуклеотидов. Их называют фрагментами Оказаки по имени описавшего их японского ученого.
Репликация кольцевых молекул ДНК у прокариот, а также ДНК плазмид, митохондрий и пластид протекает по типу, получившему название «катящегося обруча». При этом одна из нитей молекулы ДНК разрывается и ее конец прикрепляется к клеточной мембране, а на противоположном конце, как на матрице, происходит синтез дочерней нити ДНК.
Репликация ДНК протекает довольно быстро, У бактерий она составляет около 30 мкм в минуту; за это время к нити-матрице присоединяется около 500 нуклеотидов дочерней нити. У вирусов — около 900 нуклеотидов в минуту. У эукариот репликация протекает медленнее — дочерняя нить удлиняется на 1,5 — 2,5 мкм в минуту.
Таким образом, ДНК способна самовоспроизводиться (реплицироваться, самокопироваться) и сохранять наследственную информацию, закодированную в ней в виде последовательности чередования нуклеотидных оснований, во множестве поколений клеток, образующихся в онтогенезе многоклеточного организма.
Белкам принадлежит исключительно важная роль в жизнедеятельности каждой клетки и всего многоклеточного организма. Они участвуют в построении мембран, хроматина, рибосом, митохондрий, являются составной частью сложных белков. В качестве ферментов и гормонов они управляют всеми процессами в клетке и в многоклеточном организме. Подавляющее большинство метаболических реакций, от которых зависит развитие признака или свойства, находится под контролем ферментов и, следовательно, генов.
Химическая структура белковых молекул. Первичная молекула белка представляет собой цепочку, состоящую из 100 — 300 различных аминокислот и более, порядок чередования которых определяет специфичность данной молекулы (рис. 35): каждая из 20 аминокислот может встречаться многократно, но местонахождение контролируется ДНК. В настоящее время для многих молекул белка установлена их первичная структура, то есть порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи.
Вторичная структура белковой молекулы зависит от первичной: аминокислоты в полипептидной цепи соединяются водородными связями между NH- и СО - группами, в результате чего она свертывается в так называемую альфа-спираль. Образование больших альфа-спиральных участков характерно для фибриллярных белков. В молекулах ферментов спиралеобразных участков значительно меньше (рис. 36)
Четвертичная структура белковых молекул характеризуется тем, что они состоят из двух — четырех различных, стабильно соединенных полипептидных цепей. Такая структура характерна для глобулярных белков, в том числе и для многих ферментов.
Вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых молекул зависят от числа и порядка чередования аминокислот в полипептидной цепи, то есть от первичной структуры. Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом. Он осуществляется под контролем молекулы ДНК, которая таким образом реализует закодированную в ней наследственную информацию. Схематично реализацию наследственной информации можно представить следующим образом:
Биосинтез. Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе осуществляется при участии трех видов рибонуклеиновых кислот: информационной (матричной) — иРНК (мРНК), рибосомальной — рРНК и транспортной — тРНК. Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов. Нуклеотиды содержат остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (рибозу) и одно из четырех азотистых оснований— аденин, цитозин, гуанин и урацил. Азотистое основание— урацил — комплементарно аденину.
Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов — транскрипцию, сплайсинг и трансляцию.
Первый этап называется транскрипцией. Он происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая прикрепляется к начальной (инициальной) точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить мРНК. В результате транскрипции мРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.
Дальнейшие исследования показали, что в процессе транскрипции синтезируется так называемая про-мРНК — предшественник зрелой мРНК, участвующей в трансляции. Про-мРНК имеет значительно большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез соответствующей полипептидной цепи. В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны обнаружены на многих участках молекул ДНК. Так, например, в одном гене — участке ДНК, кодирующем овальбумин курицы, содержится 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы — 13 интронов. Длина интрона бывает различной — от двухсот до тысячи пар нуклеотидов ДНК. Интроны считываются (транскрибируются) одновременно с экзонами, поэтому про-мРНК значительно длиннее, чем зрелая мРНК. В ядре в про-мРНК специальными ферментами вырезаются интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке. Этот процесс называется сплайсингом. В процессе сплайсинга образуется зрелая мРНК, которая содержит только ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида, то есть информативную часть структурного гена.
Значение и функции интронов до сих пор еще не совсем выяснены, но установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется. Процесс сплайсинга изучен на примере работы гена овальбумина. Он содержит один экзон и 7 интронов. Сначала на ДНК синтезируется про-мРНК, содержащая 7700 нуклеотидов. Затем в про-мРНК
число нуклеотидов уменьшается до 6800, затем — до 5600, 4850, 3800, 3400 и т. д. до 1372 нуклеотидов, соответствующих экзону. Содержащая 1372 нуклеотида мРНК выходит из ядра в цитоплазму, попадает на рибосому и синтезирует соответствующий полипептид.
Следующий этап биосинтеза — трансляция — происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.
Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 76 — 85 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист (рис. 37). Три участка тРНК имеют особо важное значение 1) антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, определяющий место прикрепления тPHK к соответствующему комплементарному кодону (мРНК) на рибосоме; 2) участок, определяющий специфичность тРНК, способность данной молекулы прикрепляться только к определенной аминокислоте; 3) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота. Он одинаков для всех тРНК и состоит из трех нуклеотидов — Ц—Ц—А. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты Активированная аминокислота прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому.
Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам— рибонуклеопротеиновым органоидам цитоплазмы, во множестве в ней присутствующим. Размеры рибосом у прокариот в среднем 30X30x20 нм, у эукариот — 40X40X20 нм. Обычно их размеры определяют в единицах седиментации (S) — скорости осаждения при центрифугировании в соответствующей среде. У бактерии кишечной палочки рибосома имеет
Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона (инициатора синтеза) — А —У—Г— Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Молекула мРНК обычно работает сразу на нескольких (5—20) рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называют инициацией, рост ее — элонгацией. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью кодонов в мРНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов-терминаторов — УАА, УАГ или УГА. Окончание синтеза данной полипептидной цепи называется терминацией (рис. 38).
Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь за одну секунду удлиняется на 7 аминокислот, а мРНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид.
У бактерий этот процесс протекает в два-три раза быстрее.
Следовательно, синтез первичной структуры белковой молекулы— полипептидной цепи — происходит на рибосоме в соответствии с порядком чередования нуклеотидов в матричной рибонуклеиновой кислоте — мРНК. Она не зависит от строения рибосомы.
Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М. Ниренберга и Дж. Маттеи, а затем С. Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 г. в США. Они разработали метод и экспериментально установили последовательность нуклеотидов в кодонах мРНК, контролирующая местоположение данной аминокислоты в полипептидной цепи. В бесклеточную среду, содержащую все аминокислоты, рибосомы, тРНК, АТФ и ферменты, Ниренберг и Маттеи вводили искусственно синтезированный биополимер типа мРНК, представляющий собдй цепочку одинаковых нуклеотидов — УУУ — УУУ — УУУ — УУУ — и т. д. Биополимер кодировал синтез полипептидной цепи, содержащей только одну аминокислоту — фенилаланин; такая цепь называется полифенилаланином. Если мРНК состояла из кодонов, содержащих нуклеотиды с азотистым основанием ци-тозин, то синтезируется полипептидная цепь, содержащая аминокислоту пролин, — полипролин. Искусственные полимеры мРНК, содержащие кодоны АГУ, синтезировали полипептидную цепь из аминокислоты серии — полисерин и т. д. Этот метод позволил в начале 60-х годов полностью расшифровать генетический код и определить его свойства (табл. 3),
Ведущая роль в наследственности принадлежит днк, которая является носителем наследственной информации практически у всех организмов, как прокариот, так и эукариот, за исключение
01 10 2014
12 стр.
«закономерности наследственности»,«методы изучения наследственности человека. Наследственные болезни»
24 09 2014
1 стр.
Примерные вопросы для проведения срезовых работ по генетике человека с основами медицинской генетики в г
01 09 2014
1 стр.
В геноме растений генов, кодирующих рецепторы иммунитета, значительно больше, нежели в геноме животных, что связано с отсутствием соматической рекомбинации у первых, в процессе кот
25 12 2014
1 стр.
Вселенной? Казалось бы, расшифрованы материальные основы наследственности, и уже завершается составление генетической карты человека. Поставлен надежный заслон инфекциям, ранее уно
13 10 2014
1 стр.
Предметом ее изучения являются, в первую очередь, генетические основы патологических состояний человека. Причиной появления наследуемых заболеваний и аномалий развития индивидуумов
28 09 2014
8 стр.
Дзюблик И. В., Обертинская О. В., Соловьев С. А., Костенко И. Г, Трохименко Е. П., Вороненко С. Г., Ковалишин Г. Г, Ковалюк О. В., Самборская И. Ф., Жеребко Н. Н
08 10 2014
1 стр.
По наследству в ряде поколений передается патология, обусловленная преимущественно следующими мутациями
14 12 2014
1 стр.