генетика экзамен. 1. Генетика как наука. Предмет и задачи генетики

• Название: 1. Генетика как наука. Предмет и задачи генетики
• Анкор: генетика экзамен.docx
• Дата: 30.01.2017
• Размер: 194.24 Kb.
• Имя файла: генетика экзамен.docx
• Тип: Документы; #1166
• страница: 2 из 8

Оплодотворение - слияние мужских и женских половых клеток (сперматозоидов и яйцеклеток), в результате которого образуется зигота. Оплодотворение обеспечивает объединение у потомков наследственных задатков материнского и отцовского организмов.

10. Эволюция представлений о гене. Ген в классическом понимании. Химическая природа гена. Тонкая структура гена.

Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. Считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из 4 видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.

Ген — структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения.

В 1854 Грегор Мендель начал серию экспериментов на семенах гороха, с целью установить закономерность наследственной передачи признаков. Он впервые предложил теорию о наличии факторов, которые передаются от родителей к потомкам. В результате экспериментов по скрещиванию он пришел к выводам, что определенные признаки передаются независимо, а также, что существуют доминантные и рецессивные признаки. Он разработал гипотезу, что существуют гомозиготные и гетерозиготные состояния, заложив фундамент для распознавания различия генотипа и фенотипа. Позже его открытия были сформулированы в законах Менделя.

1900 считается годом "переоткрытия" законов Менделя, когда ботаники Хуго де Фриз, Эрих Чермак и Карл Корренс поняли, что существует количественная закономерность наследования факторов, отвечающих за проявление признаков у потомков.

Термин "ген" был предложен в 1909 датским ученым Вильгельмом Йохансеном для описания наследственного фактора. Очевидно, что это производное срок от слова генетика, который уже раньше, в 1905 году был предложенный Уильямом Бэтсоном с греческого genetikos. В то время химическая природа гена оставалась полностью неизвестной. Хотя хромосомы в то время были уже описаны, лишь в 1910 году работами Томаса Моргана была доказана связь между хромосомами и наследственностью.

Моргану также удалось построить первую генетическую карту. Тк под микроскопом уже наблюдали кроссинговер, то рассчитали, что чем ближе два гена расположены друг к другу, тем он реже. Стало возможным рассчитать расстояние между генами на хромосоме (морганиды).

В 1927 году работы Герман Мюллера по облучению дрозофил рентгеновским излучением показали количественную зависимость между дозой и мутагенным эффектом→ гены являются физическим объектам, на которые возможно воздействие извне. Термин мутация вошел в научный лексикон.

В 1928 году Фредерик Гриффит установил, что гены могут передаваться от одних организмов к другим. Живой невирулентных штамм Streptococcus pneumoniae при смешивании с убитым вирулентным штаммом приобретал вирулентных свойств. В 1944 году Освальдом Авери, Колином Маклеодом и Маклин Маккарти установлено, что вирулентный фактор находился в ДНК убитых бактерий, а процесс генетической информации названотрансформацией. Окончательно доказано, что ДНК носитель генетической информации.

В 1941 году Джордж Бидл и Эдуард Тейтем установили, что дефекты в обмене веществ связана с мутациями определенных генов. Сформулирована концепция ?один ген - один фенмент", которая позже уточнилась в "один ген - один полипептид".

В 1953 году Джеймс Ватсон и Фрэнсис Крик, основываясь на рентгенограммах, полученных Розалинд Франклин, открыли структуру ДНК. Сформулированная центральная догма молекулярной биологии.

В 1972 году Вальтер Фриз (Бельгия) опубликовал первую геномной последовательности гена, кодирующего белок оболочки бактериофага MS2 [1].

Современная формулировка гена - "дискретная участок геномной последовательности, соответствующей единицы наследственности и ассоциирована с регуляторными регионами, транскрибованих регионами и другими фунциональном геномными последовательностями".

У подавляющего большинства живых организмов гены закодированы в цепях ДНК. ДНК → полимер из 4 типов нуклеотидов, каждый из которых состоит из моносахарида класса пентоз (2'-дезоксирибозы), фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований : аденина (А), цитозина(Ц), гуанина (Г) и тимина (Т).

Наиболее распространенной формой ДНК в клетке является структура в форме правой двойной спирали из двух отдельных нитей ДНК. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности : аденин соединяется только с тимином (два водородных связи), гуанин - только с цитозином (три водородных связи).

Благодаря химическим особенностям связи между пентозном остатками нуклеотидов, ДНК имеют полярность. Один конец ДНК-полимера заканчивается 3-гидроксильной (3-ОН) группой дезоксирибозы и называется 3 '(три-прайм), а другой - 5-фосфатной группой (5-РО3) и называется 5 "(пять-прайм). Полярность цепочки играет важную роль в клеточных процессах. Например, при синтезе ДНК удлинение цепочки возможно только путем присоединения новых нуклеотидов к свободному 3 'конца. На молекулярном уровне ген состоит из двух структурных участков:

1. ДНК участка, из которой вследствие транскрипции считывается одноцепная РНК -копия.

2. Дополнительные ДНК участки, которые задействованы в регуляции копирования. Например, промотор и энхансеры.Типовому гена эукариотпредшествует регуляторная ДНК участок - промотор, к которому присоединяются энзим РНК-полимераза и факторы транскрипции и обеспечивают процесс транскрипции. Типичный транскрипт гена (пре-мРНК) содержит некодирующие участки интроны, которые вырезаются при сплайсинга, а Экзоны сшиваются друг с другом в зрелуюмРНК.
11. Экспериментальная расшифровка генетического кода.

Генетический код был расшифрован вскоре после открытия двуспиральной структуры ДНК.

В 1954 Гамов → соображение, что для кодирования одной аминокислоты нужно не меньше трех нуклеотидов.

Было известно, что недавно открытая молекула информационной, или матричной РНК (иРНК, или мРНК), несет информацию, записанную на ДНК. Биохимики Маршалл Уоррен Ниренберг и Дж. Генрих Маттеи(США) → эксперименты→ к разгадке генетич. кода.←синтезировали иск. мол. иРНК, € только из повторяющегося азотистого основания урацилаполиуридиловая кислота) (аналог «Т» связи с «А» из ДНК). →иРНК в тестовые пробирки со смесью АК(1 помечена радиоактивной меткой)→иРНК инициировала обр. белка лишь в 1 пробирке→меч. фенилаланин→ послед. «—У—У—У—» на молекуле иРНК ( «—А—А—А—» на молекуле ДНК) кодирует белок€ из аминокислоты Фен.

Сегодня известно, что три пары оснований молекулы ДНК (такой триплет получил название кодон) кодируют одну аминокислоту в белке. Выполняя эксперименты, аналогичные описанному выше, генетики в конце концов расшифровали весь генетический код, в котором каждому из 64 возможных кодонов соответствует определенная аминокислота.

однако в течение ряда лет оставалось неясным, перекрывают ли друг друга соседние кодоны. Входит ли каждый нуклеотид в состав лишь одного кодона или он может принадлежать трем кодонам? Чтобы выяснить это, была изучена последовательность аминокислот в пептидных цепях нескольких мутантных форм гемоглобина. Оказалось, что в каждой из них произошло замещение только одной аминокислоты. Но если бы кодоны перекрывались и каждый нуклеотид входил в состав трех соседних кодонов, то следовало бы ожидать одновременного изменения трех смежных аминокислот. Кроме того, «перекрывающийся» код накладывал бы ограничения на возможные последовательности аминокислот в пептидной цепи. Например, за аминокислотой, кодируемой триплетом ЦАГ, могла бы следовать лишь какая-нибудь из четырех аминокислот, кодируемых триплетами вида АГ(Х). Однако изучение последовательностей аминокислот в пептидах ясно показывало, что подобных ограничений не существует.

Ниренберг и Ледер обнаружили, что даже если синтез белка не происходит, специфические молекулы транспортных РНК способны присоединяться к рибосомам, но только в присутствии информационной РНК. К счастью, для этого не требуется длинных молекул информационной РНК (которые было бы трудно синтезировать); тринуклеотиды уже стимулируют специфическое присоединение транспортных РНК к рибосомам. В настоящее время возможен синтез тринуклеотидов с известной последовательностью оснований; используя такие тринуклеотиды, удалось выяснить кодовые значения всех 64 возможных триплетов. (техника белкового синтеза в бесклеточных системах, то есть в клеточных экстрактах, содержащих все необходимые компоненты аппарата трансляции (т-РНК, рибосомы, аминокислоты, ферменты, источник энергии и т.д.), кроме м-РНК.) Летом 1966 года на симпозиуме по количественной биологии в Колд-Спринг-Харборе (США) все полученные данные были сведены Ф. Криком воедино.

В 1961 году Ф. Крик и Сеймур Бензер показали, что: а) кодоны триплетны; б) между ними нет разделительных знаков ("запятых"); в) гены, кодирующие структуру белков (цистроны), имеют фиксированное начало, ориентированное направление и фиксированный конец; г) существует небольшое число некодирующих триплетов ("нонсенсов", бессмысленных кодонов), а код в целом сильно вырожден. (+и- мутация, если 1,2,4 нуклеотида→ портит весь ген. 3→только его часть)

В 1964 году Ч. Янофски с сотрудниками и С. Бреннер с сотрудниками показали, что ген и кодируемый им белок взаимно коллинеарны, то есть имеется последовательное соответствие между кодонами гена и аминокислотами белка.

Расшифрованный генетический код E. coli, исследованный in vitro, полностью согласовывался также с другими независимыми данными, полученными in vivo и для других видов. Этот вывод подтверждается также результатами секвенирования последних лет, когда найдено, что тысячи генов и кодируемых ими белков действительно соответствуют друг другу по правилам генетического кода.

То, что код информационной РНК считывается по триплетам, было впервые твердо установлено в экспериментах Корана и его сотрудников. Они синтезировали цепь поли-УЦ с правильным чередованием двух нуклеотидов (УЦУЦУЦУЦ). Когда этот полимер ввели в качестве информационной РНК в белоксинтезирующую систему, был получен полипептид из регулярно чередующихся остатков серина и лейцина. Математический анализ этого результата показал, что единица кода должна содержать нечетное число оснований. Тогда Корана синтезировал последовательность нуклеотидов ААГ ААГ ААГ ААГ, и когда этот полимер использовали в качестве матрицы для синтеза белка, то получали либо полилизин (ААГ), либо полиглутаминовую кислоту (ГАА), либо полиаргинин (АГА). Очевидно, тип синтезируемого полипептида зависел от того, с какого нуклеотида цепи-матрицы случайно начиналось считывание кода. Этот эффект, называемый сдвигом рамки, можно объяснить только в том случае, если код считывается последовательными отрезками по три нуклеотида начиная с определенного места.
12. Генетический код и его основные свойства.

Генетический код- это система расположения пар нуклеотидов в молекуле ДНК, контролирующая последoвательность расположения аминокислот вмолекуле белка. Сами гены не принимают непосредственного участия в синтезе   белка.    Посредником   между геном и белком является информационная РНК. Ген-матрица для молекулы информационной РНК- Три нуклеотида в информационной РНК как и отрезок молекулы ДНК составляют триплет, или к о д о н, Каждый из них соответствует определенной аминокислоте, включающейся в синтезируемую поли пептидную цепочку.

Синтез белка осуществляется в рибосомах. Аминокислоты доставляются рибосоме транспортной РНК. Полагают, что молекула транспортной РНК представляет собой полинуклеотидную цепочку, сложенную пополам; при этом прилегающие друг к другу нуклеотиды являются комплементарными и между ними образуются водородные связи, подобно существующим в ДНК. Лишь в месте перегиба остаются три неспаренных нуклеотида, которые получили название антикодона. Этот триплет, имеющий незамещенные водородные связи, может взаимодействовать с комплементарным кодоном на молекуле информационной РНК и передавать соответствующую аминокислоту для синтеза белка. В настоящее время выяснены кодоны информационной РНК, соответствующие всем 20 аминокислотам.

Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и в иРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах.

последовательность расположения нуклеотидов в иРНК определяет последовательность расположения а\к в белках. Носителем генетической информации является ДНК, но так как непосредственное участие в синтезе белка принимает иРНК – копия одной из нитей ДНК, то генетический код записан на «языке» РНК.

 Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Двухбуквенный код →16 а\к.

Из 4 нуклеотидов →64 комбинации, по 3 нуклеотида в каждой (43=64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 а\к. Почти каждая а\к шифруется > чем 1 кодоном (от 2 до 6). Код однозначен. Каждый триплет шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию об одной из цепей гемоглобина, триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид в этом триплете заменен на У →валин.

Код универсален. Код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий и грибов, злаков и мхов, муравья и лягушки, окуня и пеликана, черепахи, лошади и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

Свойства генетического кода

Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. (Свойство не является универсальным. Кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)[1]

Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии)

Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными. Мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

13. Молекулярные механизмы реализации генетической информации. Синтез белка в клетке.

Информационная РНК, несущая сведения о первичной структуре белковых молекул, синтезируется в ядре. Пройдя через поры ядерной оболочки, и-РНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации - перевод ее с “языка” нуклеотидов на “язык” аминокислот. Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных РНК, называемых транспортными (т-РНК). В т-РНК последовательность трех нуклеотидов комплементарна нуклеотидам кодона в и-РНК. Такая последовательность нуклеотидов в структуре т-РНК называется антикодоном. Каждая т-РНК присоединяет определенную, “свою” аминокислоту, при помощи ферментов и с затратой АТФ. В этом состоит первый этап синтеза. Для того чтобы аминокислота включилась в цепь белка, она должна оторваться от т-РНК. На втором этапе синтеза белка т-РНК выполняет функцию переводчика с “языка” нуклеотидов на “язык” аминокислот. Такой перевод происходит на рибосоме. В ней 2 участка: на одном т-РНК получает команду от и-РНК - антикодон узнает кодон, на другом - выполняется приказ - аминокислота отрывается от т-РНК.

Третий этап синтеза белка заключается в том, что фермент синтетаза присоединяет оторвавшуюся от т-РНК аминокислоту к растущей белковой молекуле. Информационная РНК непрерывно скользит по рибосоме, каждый триплет сначала попадает в первый участок, где узнается антикодоном т-РНК, затем на второй участок. Сюда же переходит т-РНК с присоединенной к ней аминокислотой, здесь аминокислоты отрываются от т-РНК и соединяются друг с другом в той последовательности, в которой триплеты следуют один за другим.

Когда на рибосоме в первом участке оказывается один из трех триплетов, являющихся знаками препинания между генами, это означает, что синтез белка завершен. Готовая цепь белка отходит от рибосомы. Процесс синтеза белковой молекулы требует больших затрат энергии. На соединение каждой аминокислоты с т-РНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Для увеличения производства белков и-РНК часто одновременно проходит не через одну, а через несколько рибосом последовательно. Такую структуру, объединенную одной молекулой и-РНК, называют полисомой. На каждой рибосоме в таком, похожем на нитку бус, конвейере последовательно синтезируются несколько молекул одинаковых белков. Синтезированные белки поступают в каналы эндоплазматической сети, по которым транспортируются к определенным участкам клетки.
14. Генетические основы онтогенеза, механизмы дифференцировки.

Онтогене́з — индивидуальное развитие организма от оплодотворения (при половом размножении) или от момента отделения от материнской особи (при бесполом размножении) до смерти. Главные существенные признаки особи – это её целостность, строгая взаимозависимость всех частей, органов и систем органов: разделить особь на части без потери морфофункциональной индивидуальности невозможно. 

У многоклеточных животных в составе онтогенеза принято различать фазы эмбрионального (под покровом яйцевых оболочек) и постэмбрионального (за пределами яйца) развития, а у живородящих животных пренатальный (до рождения) и постнатальный (после рождения) онтогенез. У семенных растений к эмбриональному развитию относят процессы развития зародыша, происходящие в семени.Термин «онтогенез» впервые был введен Э. Геккелем в 1866 году. В ходе онтогенеза происходит процесс реализации генетической информации, полученной от родителей.