ДНК – основа генетического материала. Генетический код.. Реферат КСЕ. Днк основа генетического материала. Генетический код

• Название: Днк основа генетического материала. Генетический код
• Анкор: ДНК – основа генетического материала. Генетический код
• Дата: 04.04.2021
• Размер: 1.85 Mb.
• Имя файла: Реферат КСЕ.docx
• Тип: Реферат; #191013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НОВОСИБИРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра прикладной и теоретической физики

РЕФЕРАТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

Тема: ДНК – основа генетического материала. Генетический код.

Студент: Голобурдова Анастасия Семеновна

Группа: ФБ-83

Преподаватель: Сарина М.П.

Отметка о защите: _______________


Новосибирск

2018 год
Оглавление

Введение 3

Основная часть 5

Генетическая информация - программа свойств организма, получаемая от предков и заложенная в наследственных структурах в виде генетического кода. 14

Предполагается, что становление генетической информации шло по схеме: геохимические процессы - минералообразование - эволюционный катализ (автокатализ). 14

Выводы 16

Литература 17

Введение

Генетика представляет собой одну из основных, наиболее увлекательных и вместе с тем сложных дисциплин современного естествознания. Место генетики среди биологических наук, как и особый интерес к ней, определяются тем, что данная наука изучает основные свойства организмов – наследственность и изменчивость.

Наследственность и изменчивость являются одними из основных факторов эволюции живого на земле. Наследственность – свойство организмов передавать свои признаки и особенности развития следующему поколению.

Изменчивость - способность живых организмов приобретать новые признаки и качества. Выражается в бесконечном разнообразии признаков и свойств у особей различной степени родства.

Объекты генетики- вирусы, бактерии, растения, животные и человек.

За последние 30 лет генетика преобразилась под  влиянием успехов учения молекулярных основах наследственности и изменчивости. Было показано, что наследственные свойства организмов записаны в структурах нуклеиновых кислот.

Важнейшие задачи встали перед генетикой человека. Наследственные болезни – мутация генов и изменениями в структуре и числе хромосом.

Некоторые генные болезни получили название молекулярных, так как была обнаружена сущность молекулярных изменений, являющихся первопричиной этих заболеваний. Генетика ставит задачу избавить человечество от наследственных биологических дефектов. Наличие наследственности обусловленной биохимической и физиологической уникальности каждого человека приводит медицину к необходимости изучать сущность индивидуального протекания болезней, природу несовместимости при пересадках органов, индивидуальная аллергическая реакция, способность людей к адаптации к различным условиям жизни, в том числе к экстремальным - таким, как условия космоса, жизнь в глубинах океана и так далее.

Обычно  историю генетики делят на этапы классической и молекулярной генетики. Но на самом деле её развитие прошло в 3 отчетливо различающихся этапа.

1. 
   Эпоха классической генетики 1900-1930 гг. Создание  теории гена и хромосомной теории наследственности. Разработка учения о генотипе и фенотипе, о взаимодействии генов, генетических принципов индивидуального  отбора в селекции.
   
2. 
   1930-1953 года – это этап неоклассицизма в генетике.
   Возможность искусственного вызывания изменений в генах и хромосомах. Обнаружено, ген – сложная система, дробная на части. Основаны принципы генетики популяции и эволюции генетики.
   
3. 
   С 1953 г. – синтетическая генетика ДНК. Развитие теории гена и теории мутаций, рекомбиногенеза, биохимической и эволюционной генетики, иммуногенетики, генетики человека и других разделов общей и частной генетики.
   

Основная часть

1. 
   История открытия ДНК.
   

Открытие нуклеиновых  кислот принадлежит швейцарскому химику Фридриху Мишеру. В 1869 году врач отправился в Германию для написания своей диссертации, где ему поручили разобрать химический состав гноя. Из местной больницы ему привозили бинты в крови и гное, которые он промывал и исследовал белки лейкоцитов. Процесс исследования молодого учёного заключался в помещении бинтов с содержанием гноя, полученных из местной больницы, в солевой раствор, в котором лейкоциты отделялись от ткани и осаждались на дно сосуда. После чего полученный осадок, он помещал в щелочную среду, где он должен был раствориться, но каково было его удивления, когда полученное вещество осталось в прежнем состоянии, в виде хлопьев, несмотря на воздействие специальных ферментов.  Рассматривая полученное вещество под микроскопом ученый обнаружил ядра, отчего назвал свою находку нуклеином (лат. nucleus — ядро).

Дальнейшие исследования показали, что нуклеин представляет собой смесь нуклеиновых кислот. А впоследствии  нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях и вирусах. Однако химическое строение нуклеиновых кислот и их основных компонентов устанавливалось с трудом. С момента открытия нуклеиновых кислот ученые разных стран  интенсивно изучали строение и свойства этого биоорганического соединения. Был накоплен огромный фактический  материал, послуживший основой, как  для последующего исследования нуклеиновых кислот, так и для практического применения результатов полученных при их изучении.

2. 
   Основные понятия о дезоксирибонуклеиновых кислотах.
   

Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.

Молекуле ДНК принадлежит совершенно особое место в науке о жизни. Именно в ней, а именно в последовательности азотистых оснований, хранится биологическая информация (о строении и свойствах) того или иного организма в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков. Поскольку молекулы ДНК очень больших размеров и имеют структуру двойной спирали, существует огромное множество возможных неодинаковых последовательностей из четырех различных нуклеотидов, число разных молекул ДНК практически бесконечно

В природе ДНК содержатся во всех организмах за исключением РНК-содержащих вирусов. ДНК являются типичным компонентом клеточного ядра, в котором они находятся в комплексе с белками, главным образом гистонами, образуя дезоксирибонуклеопротеиды, составляющие основу цитологической структуры хроматина и вещества хромосом. ДНК обнаружена также в хлоропластах растительной клетки и в митохондриях животных и растений, в которых она кодирует часть белков этих структур, благодаря чему они обладают некоторой автономией и лишь частично зависят от ДНК ядра.

Поэтому знание всех особенностей строения ДНК принципиально важно.

3. 
   Состав и структура ДНК.
   

Молекулы ДНК, выделенные из ядер клеток, в электронном микроскопе представлены в виде длинных нитей, состоящих из большого числа дезоксирибонуклеотидов. Нити ДНК толще и длиннее, чем нити белков. Длина молекулы ДНК достигает сотен тысяч нанометров. Это несравнимо больше самой крупной белковой молекулы, которая в развернутом виде достигает в длину не более 100—200 нм. Молекула ДНК по массе достигает 6*10^-12 грамма.

Генетическая информация, заключенная в ДНК, состоит из последовательности нуклеотидов. ДНК состоит в основном из четырех нуклеотидов, которые соответствуют четырем азотистым основаниям: аденину, гуанину, тимину и цитозину. Кроме этих оснований, препараты ДНК могут содержать метилированные производные этих оснований.



Рисунок 1 – Нуклеотиды ДНК, их строение.
Основную структурную цепь молекулы ДНК образуют последовательно соединенные друг с другом молекулы пентозы и ортофосфорной кислоты. Цепь ДНК представляет углеводно-фосфатную последовательность, с которой соединены азотистые основания. Углеводные и фосфатные группы выполняют только структурную функцию. Молекулы ортофосфорной кислоты соединяют между собой молекулы дезоксирибозы за счет образования химических связей.

При взаимодействии  гидроксильной группы 3-го атома углерода одной молекулы пентозы с гидроксильной группой 5-го углеродного атома другой молекулы пентозы отщепляется молекула воды. Тогда у остатков ортофосфорной кислоты сохраняется еще по одной гидроксильной группе, способной диссоциировать. Это обусловливает кислотные свойства всей макромолекулы ДНК.

Молекула ДНК имеет две цепи нуклеотидов, расположенных параллельно друг другу, но в обратной последовательности. Эти цепи удерживаются между собой за счет водородных связей между парами аденин - тимин и гуанин - цитозин. При этом азотистые основания располагаются внутри спирали. Водородные связи образуются между любым электроотрицательным атомом, например кислородом тимина или азотом аденина и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом.

Между аденином и тимином образуются две водородные связи, между гуанином и цитозином — три. Эти связи играют очень важную роль в поддержании вторичной структуры ДНК.

Рисунок 2 – Структура ДНК.

Дополнение аденина тимином и гуанина цитозином, иначе называемое комплементарностью, обеспечивает одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и образование между

противоположными основаниями максимального числа водородных связей, что придает молекуле одновременно устойчивость и подвижность. Последовательность оснований в одной цепи ДНК строго соответствует последовательности оснований в другой цепи. Это является необходимым условием функционирования ДНК и передачи наследственной информации. При необходимости двойная спираль ДНК легко рвется под действием фермента дезоксирибонуклеазы.

Молекула ДНК  в ядре клетки не существует изолированно сама по себе. Она окружена связанными с ней белками. Но белки не принимают участия в передаче наследственной информации.

Основными белками, локализованными в ядре клеток и связанными с ДНК, являются специальные белки, называемые гистонами. Гистоны обладают основными (щелочными) свойствами благодаря высокому содержанию в них основных аминокислот. По-видимому, их действие компенсирует в некоторой степени кислотные свойства нуклеиновых кислот. По преобладающему содержанию аминокислот выделяют пять важнейших гистонов: гистон Н1 имеет высокое содержание лизина, гистон Н2b лизина содержит меньше, чем предшествующий гистон, гистон Н2а имеет высокое содержание лизина и аргинина, гистон Н3 содержит большое количество аргинина, гистон Н4 богат аргинином и глицином.

Помимо ядерной  ДНК, эукариотические клетки содержат небольшое количество цитоплазматической ДНК, т. е. ДНК, которая располагается в цитоплазме, за пределами ядра. Эта ДНК называется внеядерной. На долю внеядерной ДНК приходится около 0,1- 0,2 всей клеточной ДНК. Внеядерная ДНК отличается от ядерной составом азотистых оснований и молекулярной массой. Она находится в митохондриях - постоянно присутствующих внутриклеточных органоидах, участвующих в преобразовании энергии в клетке.

Небольшое количество ДНК содержат некоторые пластиды растительных клеток, в частности хлоропласты, — пластиды, имеющие хлорофилл и участвующие в процессе фотосинтеза. 

4. 
   Свойства ДНК.
   

Свойства ДНК и РНК определяются последовательностью оснований в полинуклеотидной цепи и пространственным строением цепи. Последовательность оснований содержит генетическую информацию, а остатки моносахаридов и фосфорной кислоты играют структурную роль (носители оснований).

В молекулах ДНК и РНК отдельные нуклеотиды связаны в единую полимерную цепь за счёт образования сложноэфирных связей между остатками фосфорной кислоты и гидроксильными группами при 3-м и 5-м атомах углерода моносахарида.

Пространственная структура полинуклеотидных цепей ДНК и РНК была определена методом рентгеноструктурного анализа. Одним из самых крупных открытий биохимии 20 века оказалась модель двуспиральной структуры ДНК, которую предложили в 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик. Согласно этой модели, молекула ДНК представляет собой двойную спираль и состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в противоположные стороны вокруг общей оси. Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали, а остатки фосфата и дезоксирибозы – снаружи. Две спирали удерживаются вместе водородными связями между парами оснований. Важнейшее свойство ДНК – избирательность в образовании связей (комплементарность). Размеры оснований и двойной спирали подобраны в природе таким образом, что тимин образует водородные связи только с аденином, а цитозин – только с гуанином.

Таким образом, две спирали в молекуле ДНК комплементарны друг другу. Последовательность нуклеотидов в одной из спиралей однозначно определяет последовательность нуклеотидов в другой спирали.

В каждой паре оснований, связанных водородными связями, одно из оснований – пуриновое, другое – пиримидиновое. Отсюда следует, что общее число остатков пуриновых остатков в молекуле ДНК равно числу остатков пиримидиновых оснований.

В отличие от ДНК молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи. Число нуклеотидов в цепи колеблется от 75 до нескольких тысяч, а молекулярная масса РНК может изменяться в пределах от 2500 до нескольких миллионов. Полинуклеотидная цепь РНК не имеет строго определённой структуры.

ДНК – главная молекула в живом организме. Она хранит генетическую информацию, которую передаёт от одного поколения к другому. В молекулах ДНК в закодированном виде записан состав всех белков организма. Каждой аминокислоте, входящей в состав белков, соответствует свой код в ДНК, т. е. некоторая последовательность азотистых оснований.

ДНК содержит всю генетическую информацию, но непосредственно в синтезе белков не участвует. Роль посредника между ДНК и местом синтеза белка выполняет РНК. Процесс синтеза белка на основе генетической информации схематично можно разбить на две основные стадии: считывание информации (транскрипция) и синтез белка (трансляция).

Клетки содержат три типа РНК, которые выполняют различные функции.

Информационная или матричная РНК (м-РНК) считывает и переносит генетическую информацию от ДНК, содержащейся в хромосомах, к рибосомам, где происходит синтез белка со строго определённой последовательностью аминокислот.

Транспортная РНК (т-РНК) переносит аминокислоты к рибосомам, где они соединяются с пептидной связью в определённой последовательности, которую задаёт м-РНК.

Рибосомная РНК (р-РНК) непосредственно участвует в синтезе белков в рибосомах. Рибосомы – сложные надмолекулярные структуры, которые состоят из четырёх р-РНК и нескольких десятков белков. Фактически рибосомы – это фабрики по производству белков.

Все виды РНК синтезируются на двойной спирали ДНК.

5. 
   Основные понятия о генетическом коде.
   

Генетический код — это система расположения нуклеотидов в нити ДНК, обусловливающая соответствующую последовательность расположения аминокислот в белке. Генетический код передается по наследству и определяет свойства организмов. Он может меняться в результате мутаций, которые бывают положительными и меняют его в сторону, благоприятную для организма, или, что бывает чаще, в неблагоприятную или даже губительную для конкретного организма.



Рисунок 2 – Таблица генетического кода.

Реализация генетического кода в клетке происходит в два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Первый из них протекает в ядре; он заключается в синтезе молекул и-РНК на соответствующих участках ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК "переписывается" в нуклеотидную последовательность РНК. Второй этап протекает в цитоплазме, на рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность аминокислот в белке: этот этап протекает при участии транспортной РНК (т-РНК) и соответствующих ферментов.

Генетический код — трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода – это кодон. В рибосоме информация с мРНК считывается кодон за кодоном, последовательно. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как выглядит тот самый шифр выяснили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые доложили свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. Так, к 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.

Но в организме каждого человека – своя наследственная конституция, характерная лишь для него. Именно с этим связана тканевая несовместимость, проявляющаяся, в частности, при пересадке органов и тканей от одного организма другому. «Чужая» кожа, например, со своими особенными молекулами вступает в нежелательные реакции с организмом «хозяина». Она вызывает появление белков – антител – и в результате не «приживается». Аналогичное явление наблюдается и при пересадке отдельных органов.

По-иному проходят эти процессы у однояйцевых близнецов, которые развиваются из двух клеток, образовавшихся из одной оплодотворенной яйцеклетки – зиготы. Такие близнецы всегда однополы и внешне поразительно похожи друг на друга. У однояйцевых близнецов пересадка тканей и органов вполне возможна, никакого отторжения их не происходит. Иначе и быть не может. Один и тот же комплекс всех наследственных факторов не провоцирует появления антител в их организмах.

6. 
   Генетическая информация.
   

Генетическая информация - программа свойств организма, получаемая от предков и заложенная в наследственных структурах в виде генетического кода.

Предполагается, что становление генетической информации шло по схеме: геохимические процессы - минералообразование - эволюционный катализ (автокатализ).

Возможно, что первые примитивные гены представляли собой микрокристаллические кристаллы глины, причем каждый новый слой глины выстраивается в соответствии с особенностями строения предыдущего, как бы получая от него информацию о строении.

Реализация генетической информации происходит в процессе синтеза белковых молекул с помощью трех РНК: информационной (иРНК), транспортной (тРНК) и рибосомальной (рРНК). Процесс передачи информации идет: - по каналу прямой связи: ДНК - РНК - белок; и - по каналу обратной связи: среда - белок - ДНК.

Живые организмы способны получать, сохранять и передавать информацию. Причем живым организмам присуще стремление полученную информацию о себе и окружающем мире использовать максимально эффективно. Наследственная информация, заложенная в генах и необходимая живому организму для существования, развития и размножения передается от каждого индивида его потомкам. Эта информация определяет направление развития организма, и в процессе взаимодействия его с окружающей средой реакция на ее индивида может искажаться, обеспечивая тем самым эволюцию развития потомков. В процессе эволюции живого организма возникает и запоминается новая информация, в том числе для него возрастает ценность информации.

В ходе реализации наследственной информации в определенных условиях внешней среды формируется фенотип организмов данного биологического вида.

Генетическая информация определяет морфологическое строение, рост, развитие, обмен веществ, психический склад, предрасположенность к заболеваниям и генетические пороки организма.

Многие ученые, справедливо подчеркивая роль информации в становлении и эволюции живого, отмечали это обстоятельство в качестве одного из главных критериев жизни. Так, В.И. Карагодин считает: "Живое есть такая форма существования информации и кодируемых ею структур, которая обеспечивает воспроизведение этой информации в подходящих условиях внешней среды". Связь информации с жизнью отмечает и А.А. Ляпунов: "Жизнь - это высокоупорядоченное состояние вещества, использующее для выработки сохраняющихся реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул". Известный наш астрофизик Н.С. Кардашев также подчеркивает информационную составляющую жизни: "Жизнь возникает благодаря возможности синтеза особого рода молекул, способных запоминать и использовать вначале самую простую информацию об окружающей среде и собственной структуре, которую они используют для самосохранения, для воспроизводства и, что для нас особенно важно, получения еще большего количества информации". На эту способность живых организмов сохранять и передавать информацию обращает внимание в своей книге "Физика бессмертия" эколог Ф. Типлер: "Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором". Более того, он считает, если это так, то система жизнь - информация является вечной, бесконечной и бессмертной.

Раскрытие генетического кода и установление закономерностей молекулярной биологии показали необходимость соединения современной генетики и дарвиновской теории эволюции. Так родилась новая биологическая парадигма - синтетическая теория эволюции (СТЭ), которую можно рассматривать уже как неклассическую биологию.

Основные идеи эволюции Дарвина с его триадой - наследственностью, изменчивостью, естественным отбором - в современном представлении эволюции живого мира дополняются представлениями не просто естественного отбора, а такого отбора, который детерминирован генетически. Началом разработки синтетической или общей эволюции можно считать работы С.С. Четверикова по популяционной генетике, в которых было показано, что отбору подвергаются не отдельные признаки и особи, а генотип всей популяции, но осуществляется он через фенотипические признаки отдельных особей. Это приводит к распространению полезных изменений во всей популяции. Таким образом, механизм эволюции реализуется как через случайные мутации на генетическом уровне, так и через наследование наиболее ценных признаков (ценности информации!), определяющих адаптацию мутационных признаков к окружающей среде, обеспечивая наиболее жизнеспособное потомство.

Сезонные изменения климата, различных природные или техногенные катастрофы с одной стороны, приводят к изменению частоты повторяемости генов в популяциях и, как следствие, к снижению наследственной изменчивости. Этот процесс иногда называют дрейфом генов. А с другой - к изменениям концентрации различных мутаций и уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популяции, что может привести к изменениям направленности и интенсивности действия отбора.

Выводы

Основное значение ДНК - способность нести информацию о белке и способность удваиваться. Последовательность из трех связанных между собой нуклеотидов - код для конкретной аминокислоты. Из последовательности аминокислот получаются белки, которые управляют в организме биохимическими механизмами развития и метаболизмом.

Вторым важным свойством ДНК является способность к репликации (удвоению). Перед делением клетки «лестница» ДНК расплетается и разрывается на две цепочки нуклеотидов. Непарные нуклеотиды начинают притягивать к себе комплиментарную пару. Каждая молекула аденина притягивает к себе тимин, каждая молекула цитозина - гуанин и так далее, пока из двух половинок «лестницы» не получатся две полные спирали ДНК.

Именно эта способность ДНК к репликации делает возможным размножение всех форм жизни - от простейшего микроба до сложного многоклеточного организма.

Знание этого позволило изучить эволюцию на молекулярном уровне, отследить историю изменений в конкретных генах и в их организации, а также создать модель филогенеза, основанную на схожести ДНК между таксономическими группами. Все в биологии имеет смысл лишь в свете эволюции.

Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические исследования. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил сильно продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.

Литература

1. 
   Горбачев В.В. Концепции современного естествознания, М., 2000;
   
2. 
   Строение ДНК и положение организмов в системе, под ред. А. Н. Белозерского и А. С. Антонова, М., 2002;
   
3. 
   Ашмарин И.П. Молекулярная биология, М., 2004;
   
4. 
   Днишева Т.Я. Концепции современного естествознания, М., 2006;
   
5. 
   Биологический Энциклопедический словарь.