УЧЕБНИКгенетика. Генетика изучает процессы преемственности жизни на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях

• Название: Генетика изучает процессы преемственности жизни на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях
• Анкор: УЧЕБНИКгенетика.doc
• Дата: 09.02.2017
• Размер: 6.93 Mb.
• Имя файла: УЧЕБНИКгенетика.doc
• Тип: Документы; #2512
• страница: 2 из 16

Глава 2

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

2.1. Генетическая роль ДНК и РНК
2.1.1. ДНК — носитель наследственной информации

«Значение ДНК столь велико, что никакое знание о ней не будет полным». Ф.Крик.
ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота — биологическая макромолекула, носитель генети­ческой информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах.

В 1928 г. Ф.Гриффит обнаружил у пневмо­кокков явление трансформации (преобразование свойств бактерий). Он показал, что клетки неви­рулентных штаммов бактерий (шероховатые без капсул) приобретают свойства вирулентных (глад­ких с капсулами) штаммов, убитых нагреванием. Природа трансформирующего агента была уста­новлена Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти в 1944 г., им оказалась ДНК. Так открытие и изучение трансформации доказало роль ДНК как материального носителя наследственной информации, (рис. 2.1).



Рис. 2.1. Трансформирующий фактор — это ДНК-

Трехмерная модель пространственного строе­ния двухцепочечной ДНК была описана в апрель­ском журнале Nature в 1953 г. Дж. Уотсоном, Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом. Эти исследования легли в основу молекулярной био­логии, изучающей основные свойства и проявле­ния жизни на молекулярном уровне.

Структура ДНК — полимер, структурной еди­ницей которого является нуклеотид (рис. 2.2).

Нуклеотид состоит из азотистого основания пу-ринового: аденин (А) или гуанин (Г) или пирими-динового: цитозин (Ц) или тимин (Т), углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо) и остатка фосфорной кислоты (НРО). Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360°, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 граду­сов вокруг спирали относительно следующей пары. Фосфатные группировки находятся снаружи спи­ралей, а основания — внутри и расположены с интервалом 34 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и за­кручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.









Рис. 2.2. Строение ДНК.

В разработке модели ДНК важную роль сыг­рали наблюдения Чаргаффа (1949) о том, что ко­личественные отношения гаунина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина со­ответствует содержанию тимина. Это положение было названо «правило Чаргаффа»:


т.е. пропорция пуриновых и пиримидиновых осно­ваний всегда равная.

Чаргаффом для характеристики нуклеотидного состава ДНК был предложен коэффициент спе­цифичности, учитывающий долю гуанин-цитозиновых пар:




Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5' положения одного пентозного конца и 3' положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5—3' связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5' конца к 3' концу — такая нить называется смысловой ДНК, здесь рас­положены гены. Вторая нить направления 3-5' счи­тается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая нить играет большую роль в про­цессах репликации и репарации (восстановление структуры поврежденной ДНК). Основания в анти­параллельных нитях образуют за счет водородных связей комплементарные пары: А+Т; Г+Ц. Таким образом, структура одной нити определяет после­довательность нуклеотидов другой нити. Следова­тельно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.

Принцип комплементарности универсален для процессов репликации и транскрипции.

В настоящее время описаны несколько модификаций молекулы ДНК.

Полиморфизм ДНК —

это способность молекулы принимать различные конфигурации. В настоящее время описано 6 форм, часть которых может существовать только in vitro (в пробирке):

В-форма — имеет стандартную структуру, прак­тически соответствующую модели ДНК, которая была предложена Уотсоном, Криком и Уилкинсом, в физиологических условиях (низкая концен­трация солей, высокая степень гидратации) явля­ется доминирующим структурным типом.

А-форма — обнаружена в более обезвожен­ных средах и при более высоком содержании ионов калия и натрия. Интересна с биологической точки зрения, т.к. ее информация близка к структуре двухцепочечных ДНК, или для ДНК-РНК дуплексов.

С-форма — имеет меньше форм оснований на виток, чем В-форма. В этих трех формах могут находиться все ДНК независимо от нуклеотидной последовательности. Следующие формы характер­ны только для молекул ДНК с определенными последовательностями в парах оснований.

D- и Е-форма — возможны крайние варианты одной и той же формы, имеют наименьшее число пар оснований на виток (8 и 7.5). Обнаружены толь­ко в молекулах ДНК, не содержащих гуанина.

Z-форма — это зигзагообразная форма, с че­редованием лево- и правоспиральности. Эта фор­ма выявляется при наличии ряда факторов: высо­кая концентрация солей и наличие специфических катионов; высокое содержание отрицательных су­первитков в молекуле ДНК и других Z-ДНК встре­чается на участках, обогащенных парами Г—Ц. Показано, что Z-форма ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов как близко расположенных, так и существенно удаленных от Z-учас-тков, а также играть существенную роль в про­цессах рекомбинации.

Шотландский ученый Арнотт предположил: «Было бы удивительно, если бы в живой природе никак не использовалась эта способность ДНК — менять свою форму».

Некоторые из форм могут при определенных условиях, связанных с изменениями концентрации солей и степени гидратации, переходить друг в друга, например, А <-> В; а также Z <-> В. Пред­полагают, что взаимные переходы А- и В-форм регулируют работу генов. Показательно, что в ДНК человека имеются участки, потенциально способные переходить в Z-форму, которые диспер­гированы в геноме человека.

Предполагается, что в клетках человека сущес­твуют условия, стабилизирующие Z-форму (Марри и др., 1993).

Таблица 2.1 Структурные свойства некоторых типов ДНК

Тип спирали	Число пар основа- нии на виток	Угол враще- ния одной пары, градусы	Рассто- яние между парами в А° 10"9	Диаметр спирали А° 10"9	Напра- вление спирали
А	11	+32.7	2.56	23	правая
В	10	+36.0	3.38	19	правая
С	9.3	+38.6	3.32	19	правая
Z	12	-30.0	3.71 '	18	правая и левая

Знание структуры и функции ДНК необходи­мо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матри­цы при синтезе белков из аминокислот, т.к. почти вся она находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как большинство, если не все, клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Та­ким образом, генетическая информация, заклю- -ченная в ДНК, должна передаваться какой-то про­межуточной молекуле, которая транспортирова­лась бы в цитоплазму и участвовала в синтезе полипептидных цепей. Предположение о том, что такой промежуточной молекулой может быть РНК, стало всерьез рассматриваться сразу, как только была открыта структура двойной спирали ДНК. Во-первых, клетки, синтезирующие большое количество белка, содержали много РНК. Во-вто­рых, еще более важным казалось то, что сахарофос-фатные «скелеты» ДНК и РНК чрезвычайно сход­ны и было бы легко представить себе, как происхо­дит синтез одиночных цепей РНК на одноцепочеч-ной ДНК с образованием нестабильных гибрид­ных молекул, одна цепь которых представлена ДНК, а другая РНК. Взаимоотношения ДНК, РНК и белка в 1953 г. были представлены в виде следующей схемы:
репликация ДНК..... транскрипция - -----> РНК... трансляция......-> белок,
где одиночные цепи ДНК служат матрицами при синтезе комплементарных молекул ДНК (репли­кация). В свою очередь, молекулы РНК служат матрицами для последовательного соединения аминокислот с образованием полипептидных це­пей белков в процессе трансляции, названном так потому, что «текст», написанный на «языке» нуклеотидов, переводится (транслируется) на «язык» аминокислот. Группа нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном.
2.1.2. Строение и функции РНК

РНК — рибонуклеиновая кислота, имеет мно­го общего со структурой ДНК, но отличается от нее рядом признаков:

• 
  углеводом РНК, к которому присоединяют­ся пуриновые или пиримидиновые основания и фосфатные группы, является рибоза;
  
• 
  в состав РНК, как и в состав ДНК, входят азотистые основания аденин, гуанин и цитозин. Но РНК не содержит тимина, его место в молеку­ле РНК занимает урацил;
  
• 
  РНК — одноцепочечная молекула;
  
• 
  так как молекула РНК одноцепочечная, то правило Чаргаффа, установленное для ДНК, мо­жет не выполняться по равенству содержания ос­нований.
  

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), присутству­ющие в клетках как про- так и эукариот, бывают трех основных видов: матричные РНК (мРНК), рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК).

Матричные РНК (информационная РНК, мессенджер-РНК) выполняют функцию матриц бел­кового синтеза (см. «Транскрипция»). В ядре кле­ток эукариот содержится РНК четвертого типа ге­терогенная ядерная РНК(гяРНК), которая является точной копией (транскриптом) соответствующей ДНК. Процесс транскрипции осуществляется в ядре на ДНК, гяРНК после созревания будет слу­жить матрицей для синтеза белка в цитоплазме.

Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соот­ветствующий триплет (кодон в мРНК) и перено­сят нужную аминокислоту к растущей полипептид­ной цепи. Узнавание кодона в мРНК осуществля­ется с помощью трех последовательных основа­ний в тРНК, называемых антикодонами. Аминокис­лотный остаток может присоединятся к 3' — кон­цу молекулы тРНК. Считают, что для каждой аминокислоты имеется, по крайней мере, одна тРНК. Структура тРНК представлена на рис. 2.3. Молекула тРНК содержит около 75 нуклеотидов, ковалентно связанных друг с другом в линейную цепочку. Иногда эту структуру называют «клевер­ным листом», конфигурация которого возникает благодаря нескольким внутрицепочечным компле­ментарным участкам. Молекулы всех видов тРНК имеют 4 основных плеча. Акцепторное плечо за­канчивается последовательностью ЦЦА (5—3'). Че­рез 3' происходит связывание с карбоксильной группой аминокислоты. Остальные плечи тоже состоят из стеблей, образованных комплементар­ными парами оснований и петель из неспарен-ных оснований. Антикодоновое плечо узнает нук-леотидный триплет (кодон).

Рибосома состоит из большой и малой субъеди­ниц. Для эукариот рибосома состоит из большой субъединицы с молекулярной массой 2,8 х10⁶ (60S) и малой, имеющей молекулярную массу 1,4x10"⁶ (40S), где S (Сведберг)— единица измерения коэффициента седиментации (мера массы макромоле­кулы). Эти субчастицы могут диссоциировать на белок и рРНК. Весовое соотношение рРНК: бе­лок для эукариот составляет 1:1. Все субчастицы рибосом состоят из рРНК, которые синтезируют-ся в структуре ядрышек. В цитоплазме рибосомы упаковываются с рибосомными белками, приоб­ретая достаточную устойчивость, и способны осу­ществлять большое число циклов трансляции.





Рис. 2.3. Строение тРНК.

В 1970-х годах Сидней Альтман и Томас Чек сделали открытие, противоречащее традиционным представлениям. Они показали, что РНК не толь­ко является переносчиком информации с ДНК, но и выступает в роли катализатора в ряде кле­точных процессов. Каталитическая способность РНК позволила использовать эту молекулу для различных биотехнологических целей, в частнос­ти для борьбы с вирусными инфекциями.
2.2. Генетический код
До расшифровки генетического кода невозмож­но было понять, каким образом кодируется наслед­ственная информация. Расшифровка генетическо­го кода позволила понять механизм синтеза белка и связать между собой дефекты определенных бел­ков человека и наследственные заболевания, а так­же создала необходимые предпосылки для диаг­ностики и лечения таких заболеваний.

Генетический код — единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеи­новых кислот в виде последовательности нуклеоти-дов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклео-тидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Ц, Г. Попытки расшифровки генетического кода были предприняты в 1954 г. Г.Гамовым. Основные свойства кода триплетность и вырожденность вы­явили в 1961 г. Ф.Крик и С.Бреннер.

Поскольку в белках встречается 20. различных аминокислот, то каждая не может кодироваться одним нуклеотидом (в ДНК всего 4 типа нуклеоти-дов), т.к. 16 останутся незакодированными. Не мо­гут «слова» генетического кода состоять и из 2 «букв», т.к. будут закодированы всего 16 аминокислот. Зна­чит, наименьшая возможная длина «слова», опре­деляющая аминокислоту, — 3 нуклеотида. Число • возможных триплетов нуклеотидов равно 64.

В 1961 г. была впервые дешифрована первая триплетная последовательность. Система, содержа­щая искусственную мРНК, состоящую только из урациловых нуклеотидов, синтезировала полипеп­тидную цепь, состоящую только из фенилаланина (в ДНК кодом для нее должен быть комплементарный триплет нуклеотидов — AAA). Это сдела­ли двое ученых М.Ниренберг и Г.Маттеи. К 1965 г. был расшифрован полностью весь генетический код (рис. 2.4). Из 64 кодонов три кодона УАГ, УАА, УГА не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами. Позднее было показано, что они являются терминирующими кодонами.

В настоящее время определение нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК проводится с помощью специального метода — секвенирования.






Рис. 2.4. Генетический код.

Свойства генетического кода
1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) — последовательность трех нуклеотидов, ко­дирующая одну аминокислоту.

Шутливая ода-четверостишие, посвященная генетическому коду, написана генетиками. Каждое слово состоит из трех букв, как триплет, кодирую­щий одну аминокислоту, из трех нуклеотидов:

Наш код так мал,

Так лих наш код.

Был дым, был — пал,

Нет, жив наш род!

2. Вырожденность генетического кода обуслов­лена тем, что одна аминокислота может кодиро­ваться несколькими триплетами (вспомним, что аминокислот 20, а триплетов — 64), исключение составляют метионин и триптофан, которые коди­руются только одним триплетом. Три триплета УАА, УАГ, УГА — это стоп-сигналы (терминиру­ющие кодоны), прекращающие синтез полипеп­тидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует амино­кислоту, если стоит в начале цепи ДНК..

3. Однозначность — каждому данному кодону соответствует одна и только одна определен­ная аминокислота. Следует отчетливо понимать принципиальное отличие двух важнейших свойств — вырожденности и однозначности, одновремен­но присущих генетическому коду.

4. Генетический код не перекрываем — про­цесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без пропусков вплоть до нонсенскодонов. Таким образом, генетический код не содержит зна­ков пунктуации.

5. Генетический код универсален, т.е. вся ин­формация в ядерных генах для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (например, бабочка, ромашка, рак, лягушка, удав, орел, человек), кодируется одинаково.

При считывании информации положение пер­вого основания кодона (триплета) определяет рам­ка считывания. Число возможных рамок считы­вания равно трем, поскольку генетический код триплетен (рис. 2.5). Обычно функциональный бе­лок синтезируется по одной рамке считывания.






Рис. 2.5. Изменения в белке, происходящие при сдвиге рамки считывания. Нуклеотидную последовательность мож­но прочесть по одной из трех рамок считывания, причем каждый раз будет получаться новый белок.

Иногда могут происходить изменения рамки считывания, связанные с выпадением или добав­лением одного или нескольких нуклеотидов. При последующей сборке белка в нем будет нарушена последовательность аминокислот. Это называет­ся мутацией со сдвигом рамки.