.П. Бочков - КЛИНИЧЕСКАЯ - ГЕНЕТИКА. Медицинская генетика,Бочков, 2014 (1). Медицинская генетика Медицинская генетика БиблиографияМедицинская генетикаЭлектронный ресурс
 Скачать 2.91 Mb.
|
|
Глава 2. Химические основы наследственности 2.1. ВВЕДЕНИЕ Как только были выяснены законы наследственности, стало очевидно, что гены имеют четкую химическую природу. Из законов наследственности вытекало, что, с одной стороны, передача этих химических элементов из поколения в поколение осуществляется с высокой точностью, а с другой - наследственные структуры обязательно удваиваются при размножении клеток. При обсуждении природы материальных носителей наследственности в 20-30 гг. ХХ в. к ним в первую очередь относили белки. Ген рассматривался даже самыми образованными генетиками как сложная белковая молекула. В 1927 г. выдающийся русский биолог Н.К. Кольцов сформулировал принцип автокаталитической редупликации наследственных структур. Однако сложность белковой молекулы, которую ученый рассматривал в качестве носителя наследственной информации, не позволила ему четко довести свою гипотезу до окончательного решения. Несмотря на то что ДНК была известна с 1869 г., и наличие ее в хромосомах было хорошо доказано, эту молекулу считали слишком простой для передачи наследственной информации. Даже эксперименты на мышах с заражением пневмококками (Ф. Гриффит, 1928 г.) и на микробах (О. Эвери с соавторами, 1944 г.) только заставляли предполагать о возможном участии ДНК в передаче наследственных свойств, но не были своевременно приняты как доказательство ее определяющей роли ДНК в передаче наследственной информации. Лишь после открытия в 1953 г. физико-химической структуры ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком стало окончательно ясно, как передача наследственной информации осуществляется с помощью ДНК. Генетические исследования молекулярного строения хромосом оказались очень плодотворными. Они дали ответ на два важнейших вопроса: как обеспечивается в клетках сохранение и передача наследственной информации и как реализуется наследственная информация? Организмы обладают способностью передавать следующим поколениям свои признаки и особенности, т.е. воспроизводить себе подобных. Это явление наследования признаков основано на передаче из поколения в поколение наследственной информации. Материальным носителем этой информации являются молекулы ДНК. 2.2. ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Нуклеиновая кислота представляет собой гигантскую молекулу или макромолекулу, построенную из многих повторяющихся единиц, называемых нуклеотидами. Выяснение структуры и функции нуклеиновых кислот позволило понять, каким образом живые клетки, а значит, и организмы точно воспроизводят себя и как осуществляется хранение и кодирование генетической информации, необходимой для регуляции всех жизненных процессов. Поскольку нуклеиновые кислоты состоят из многократно повторяющихся мономерных звеньев - нуклеотидов, их называют также полинуклеотидами. Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара, остатка фосфорной кислоты (рис. 2.1). Азотистые основания в структуре нуклеотида представляют собой производные одного из двух классов соединений - пуринового или пиримидинового ряда. В нуклеиновых кислотах присутствуют два пуриновых производных - аденин (А) и гуанин (Г) и три пирими-диновых - цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У). В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин и тимин. РНК тоже имеет четыре типа оснований, из которых три (аденин, гуанин и цитозин) такие же, как в ДНК, а тимин заменен здесь другим пиримидином - урацилом. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). Нуклеиновые кислоты являются кислотами, потому что в их молекулу входит остаток фосфорной кислоты. Фосфорная кислота. В нуклеотидах к молекуле дезоксирибозы (или рибозы) с одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой - остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются Рис. 2.1. Строение и составные части нуклеотида между собой в длинные цепи. Остов такой цепи образуют регулярно чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты, а боковые группы этой цепи - четыре типа нерегулярно чередующихся азотистых оснований. Именно такая специфичность строения полимерных молекул нуклеиновых кислот определяет возможность хранения в них обширной и сложной генетической информации. Согласно предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком модели, молекула ДНК представляет собой две параллельные неразветвлен-ные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль. Двойная спираль ДНК правосторонняя, с диаметром 20 нм и шагом около 3,4 нм, каждый виток которой включает 10 пар нуклеотидов (рис. 2.2). Пространственная структура ДНК удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований (А с Т и Г с Ц) обусловлено их пространственным соответствием. Пиримидиновое основание комплементарно пури-новому основанию. Вследствие такой комплементарности азотистых оснований порядок чередования нуклеотидов в обеих нитях ДНК оказывается взаимообусловленным. Комплементарность двух нитей молекулы ДНК приводит к тому, что число пуринов в нем равно числу пиримидинов [А=Т; Г=Ц или (А+Г)/(Т+Ц)=1]. Именно комплементарностью определяется точное воспроизведение последовательности оснований при копировании ( репликации) молекул ДНК (рис. 2.3). Размеры ДНК могут меняться в гигантских пределах - от нескольких нук- леотидов до миллиардов пар оснований. Единицами измерения длины молекулы являются: пары оснований (п. о.), тысячи пар оснований - килобазы (кб), миллионы пар оснований - мегабазы (мб). Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо. У человека большая часть ДНК (3,2 миллиарда пар оснований в гаплоидном наборе) присутствует в ядрах клеток (они диплоидны) в виде 46 плотно упакованных, суперскрученных нитей (хромосом). Сравнительно небольшая часть ДНК, около 5 % локализована в митохондриях (см. гл.1). В отличие от ДНК молекулы РНК, как правило, однонитевые (рис. 2.4). Построены они аналогично нитям ДНК, только, как уже говорилось, в сахарно-фосфатный остов их молекул входит не дезоксирибоза, а рибоза, и вместо тимина у них имеется другой пиримидин - урацил. В зависимости от функций, присущих молекулам РНК, все РНК могут Рис. 2.2. Схема строения молекулы ДНК по Уотсону и Крику Рис. 2.3. Комплементарность цепей в ДНК Рис. 2.4. Структура молекулы РНК быть разделены на несколько классов: РНК-транскрипты (информационная иРНК или матричная мРНК), транспортная (тРНК), рибосомальная (рРНК) и гетерогенная ядерная РНК (гяРНК) (табл. 2.1.). Каждая молекула РНК выполняет свою специфическую функцию: • мРНК (иногда ее называют информационной - иРНК) переносят информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, т.е. являются транскриптом (копией) смысловой ДНК, который служит матрицей для синтеза белка; • гяРНК участвуют в процессе сплайсинга (вырезания последователь- Таблица 2.1. Таблица генетического кода ностей, комплементарных интронам, из первичного РНК-транскрипта); • тРНК переносят аминокислоты в рибосомы, специфичность такого переноса обеспечивается наличием 20 типов тРНК, соответствующих 20 аминокислотам; • рРНК образуют в комплексе с белками рибосому, сложную орга-неллу, в которой происходит синтез белка. Размеры молекул РНК очень различны, но в общем они меньше молекул ДНК. К самым мелким относятся тРНК, молекулярная масса молекулы около 25 000, состоят они из 75 нуклеотидов. 2.3. ФУНКЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Нуклеиновые кислоты выполняют важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация обо всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка. Расшифровка генетической информации, заключенной в молекуле ДНК, осуществляется в соответствии с центральной молекуляр-но-генетической догмой (рис. 2.5). Рис. 2.5. Центральная догма молекулярной биологии 2.3.1. Сохранение информации от поколения к поколению При размножении любых форм жизни происходит увеличение числа молекул ДНК. Из одной клетки, образовавшейся в результате слияния гамет, получаются тысячи, миллионы клеток тела. Каждая исходная молекула ДНК дает начало огромному числу новых молекул ДНК с сохранением в неизменном виде всех особенностей, присущих ДНК. Это происходит в процессе репликации, при которой информация, закодированная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК (рис. 2.6). Репликация - единственно возможный способ увеличения числа молекул ДНК, на который указывает сама структура этих молекул. С помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя цепями ДНК, образуются одноцепочеч-ные нити (цепи родительской ДНК расплетаются, и каждая из них служит матрицей, определяющей последовательность оснований в новой, комплементарной цепи ДНК (дочерней)). Затем к каждой цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А-Т, Г-Ц), образуя две двухцепочечные молекулы ДНК. Синтез новых нитей ДНК протекает всегда в направлении от 5' атома углерода сахара к 3' атому. Репликация имеет полуконсервативный характер: в каждой вновь образуемой молекуле ДНК одна нить происходит от родительской молекулы, а вторая синтезируется заново. Рис. 2.6. Репликация ДНК Процесс репликации нуклеиновых кислот целиком зависит от работы ряда ферментов. Установлено, что в этом процессе участвует минимумчетырегруппыферментов: ДНК-полимеразы, РНК-полиме-разы, эндонуклеазы и ДНК-лигазы. 1. Ферменты, осуществляющие синтез ДНК, называются ДНК-поли- меразами. Впервые ДНК-полимераза I была получена в очищенном виде А. Корнбергом из E. coli в 1958 г. В клетках содержатся три различные формы ДНК-полимераз, все они обладают синтезирующей активностью и способны удлинять цепи ДНК в направлении 5'-3', последовательно прибавляя по одному нуклеотиду к З'-ОН-концу цепи. Репликацию ДНК осуществляет ДНК-полимераза а, репарацию (исправление) поврежденных участков ДНК осуществляют ДНК-полимеразы I, II. 2. РНК-полимераза - фермент, осуществляющий транскрипцию ДНК. 3. Эндонуклеазы - ферменты, разрезающие двухнитевую молекулу ДНК в местах, соответствующих последовательностям из 4-12 нуклеотидов. 4. ДНК-лигазы - ферменты, катализирующие образование фосфо-диэфирной связи между 3'- и 5'-концами фрагментов ДНК. Репликация ДНК начинается с разрыва в одной из двух цепей ДНК под действием эндонуклеазы. Затем к этому месту присоединяется ДНК- полимераза и начинается непрерывный синтез нового олигонуклеотида на одной из двух родительских цепей в направлении 5'-3'. Из второй цепи родительской ДНК идет синтез прерывистый, сопровождающийся образованием фрагментов ДНК, также в направлении 5'-3' с последующим объединением фрагментов ДНК при участии ДНК-лигаз в единую полинуклеотидную молекулу. Инициация биосинтеза дочерних цепей ДНК требует предварительного синтеза на материнской ДНК затравочного олигонук-леотидного праймера,со свободной гидроксильной группой. Этот олигонуклеотид, содержащий около 50 нуклеотидных остатков, синтезируется комплементарно на матрице ДНК при участии РНК-полимеразы. Таким образом, репликация ДНК обеспечивает высочайшую точность воспроизведения генетической информации в поколениях клеток и организмов в целом, т.е. реализует одну из основных функций нуклеиновых кислот (ДНК) - сохранение генетической информации. 2.3.2. Гены и их структура Элементарной единицей наследственности является ген. Согласно современным представлениям, ген - это участок молекулы геномной ДНК, характеризуемый специфической для него последовательностью нуклеотидов, представляющий единицу функции, отличной от функций других генов, и способный изменяться путем мутирования. Ген - это отрезок молекулы ДНК, он дискретен, так как состоит из набора нуклеотидов. Это наиболее точная его характеристика, позволяющая идентифицировать данный ген, в каком бы месте он ни находился. Изменение молекулярной структуры ДНК генов, т.е. изменения нуклеиновой кислоты, из которой они состоят, ведет к появлению новых форм генетической информации, новых молекулярных структур в материальной структуре наследственности. Такие изменения, как мутации (см. гл. 4), могут происходить в любых точках в пределах гена. Но в функциональном отношении ген представляет собой целостную единицу: изменение нуклеотидов в гене или потеря его части либо полностью его инактивирует, либо изменяет его генетическую функцию. Экзон-интронная организация гена. Ген человека имеет кодирующую часть(экзон) общей длиной в несколько тысяч пар оснований. Однако общая длина гена значительно больше, поскольку кроме экзо-нов (кодирующей части) в состав гена входят интроны (некодирую-щая часть) ифланкирующие последовательности, расположенные до (с 5'-конца) и после (с З'-конца) кодирующей части (рис. 2.7). Кодирующая часть большинства генов находится в пределах 1-3 тысяч пар оснований, что соответствует белковому продукту из 300-1000 аминокислотных остатков. У большинства генов кодирующая часть поделена на несколько экзонов, между которыми расположены некодирующие участки (интроны). Рис. 2.7. Организация гена Межгенные участки ДНК называются спейсерами. Спейсеры состоят из повторяющихся последовательностей ДНК различных типов и уникальных нетранскрибируемых последовательностей, не являющихся генами. Их функция неизвестна. Молекула ДНК может содержать множество генов. По приблизительным оценкам человек имеет около 30 тыс. генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию - кодирует определенный полипептид (например, ферменты или структурные белки клетки) или молекулу РНК. 2.3.3. Реализация генетической информации Выше были рассмотрены: механизм, обеспечивающий сохранение генетической информации (репликация), и материальная единица наследственности (ген). Кроме того, должен существовать и другой механизм, ответственный за проявление записанной в нуклеиновой кислоте генетической информации в специфичной структуре синтезируемых в клетках белков, которые определяют все основные свойства организма и играют ключевую роль в его жизнедеятельности, т.е. ответственный за реализацию генетической информации. Согласно молекулярной догме, генетическая информация реализуется через следующие этапы. Транскрипция («переписывание») - перенос генетической информации от ДНК к РНК, который заключается в избирательном синтезе молекул мРНК, комплементарных определенным участкам ДНК, соответствующих одному или нескольким генам (рис. 2.8). Рис. 2.8. Формирование молекулы мРНК на ДНК-матрице Транскрипция заключается в том, что на одной из нитей ДНК происходит матричный синтез нити мРНК. Этот синтез осуществляется особым ферментом - РНК-полимеразой, который прикрепляется к началу участка ДНК, расплетает двойную спираль ДНК и, перемещаясь вдоль одной из нитей, последовательно строит рядом с ней комплементарную ей нить РНК. По мере передвижения РНК- полимеразы, растущая нить РНК отходит от матрицы ДНК и двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается, а когда РНК-полимераза достигает конца копируемого участка, РНК отделяется от ДНК. Синтезированная нить РНК содержит информацию, точно переписанную с соответствующего участка ДНК, так как последовательность нуклеотидов в ней полностью предопределена последовательностью нуклеотидов в ДНК: в строящуюся РНК напротив аденина ДНК включается урацил, напротив гуанина - цитозин, напротив цитозина - гуанин и напротив тимина - аденин. В зависимости от того, какие гены транскрибируются, продуктами транскрипции могут быть те или другие виды РНК: рибосомаль-ные РНК, транспортные РНК, матричные РНК. Процессинг - образование молекул мРНК, представляющих собой непрерывную последовательность нуклеотидов, комплементарную только экзонам - кодирующим участкам гена. Далее молекулы мРНК выходят из ядра в цитоплазму и соединяются с рибосомами, где происходит процесс трансляции - синтез полипептидной цепи по молекуле мРНК. Трансляция («перевод») - процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности оснований мРНК переводится на язык аминокислотной последовательности белка (рис. 2.9). Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам - рибонуклеопротеиновым частицам диаметром 20-30 нм, в большом количестве присутствующим в цитоплазме клеток. Рибосома образована двумя субъединицами - большой и малой, состоящими из рРНК и белков. Аминокислоты, синтезированные клеткой, доставляются к месту сборки из них белка, т.е. в рибосомы, посредством тРНК. В цитоплазме клетки находится 20 различных аминокислот и соответствующие им тРНК. С помощью ферментов аминокислоты «узнают» соответствующие тРНК, присоединяются к ним, и тРНК переносит их к месту синтеза белка в рибосому. Все тРНК имеют три функциональных участка в своей молекуле: 1) участок узнавания фермента, определяющий, какая именно аминокислота будет присоединена к данной тРНК; 2) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота; Рис. 2.9. Схема репликации, транскрипции и трансляции генетического материала в клетке 3) участок, состоящий из трех нуклеотидов - антикодон, определяющий то место в синтезируемой молекуле белка, какое должна занять данная аминокислота. Акцепторный участок одинаков у всех тРНК, он имеет последовательность оснований Ц-Ц-А. Участки узнавания и антикодоны разные у различных тРНК. мРНК содержат транскрибированную с соответствующих генов информацию о том, какие белки должны быть синтезированы в рибосомах и служат матрицами, определяющими, в какой последовательности аминокислоты, доставленные тРНК в рибосомы, включаются в растущую полипептидную цепь белка. Каждой аминокислоте в мРНК соответствует определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты; кодон комплементарен триплету, образующему антикодон соответствующей тРНК. Соответственно, если в рибосоме на мРНК будет кодон АУГ, то к нему подойдет тРНК с комплементарным антикодоном УАЦ. В рибосоме, в большой ее субъединице между аминокислотами образуются пептидные связи. Затем тРНК вытесняется в цитоплазму, а рибосома передвигается на следующий кодон, т.е. происходит считывание информации. В мРНК существуют кодоны: инициирующие (АУГ) - определяющие начало синтеза белка; терминирующие (стоп-кодон) (УАГ, УАА, УГА), заканчивающие синтез белка. Сигналом к завершению трансляции служит один из трех стоп- кодо-нов. Таким образом, появление стоп-кодона на рибосоме прерывает процесс трансляции. На следующем этапе полипептидные цепи транспортируются к специфическим органеллам клетки и модифицируются с образованием зрелого, функционально активного белка. 2.3.4. Генетический код и его свойства Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и мРНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Перенос информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется с помощью генетического кода. Расшифровка генетического кода - одно из великих достижений науки. Носителем генетической информации является ДНК, но так как непосредственное участие в синтезе белка принимает мРНК - копия одной из нитей ДНК, то генетический код записан на «языке» РНК. Генетический код обозначается четырьмя буквами (первыми буквами названий четырех нуклеотидов), отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Ц, Г. В белках встречается 20 различных аминокислот, длина «слова», определяющая аминокислоту, состоит из трех нуклеотидов. Число возможных триплетов нуклеотидов равно 64. Это вытекает из того, что в молекуле нуклеиновой кислоты имеется только четыре разных вида нуклеотидов, различающихся своими азотистыми основаниями, а молекула белка содержит 20 разных аминокислот. Чтобы обеспечить кодирование всех аминокислот в кодоне, должно быть минимум три нуклеотида, так как в этом случае возможно 4 3 = 64 разных трехнуклеотидных сочетаний. В 1965 году был расшифрован полностью весь генетический код. Из 64 кодонов три кодона - УАГ, УАА, УГА не кодируют аминокислот. Свойства генетического кода 1. Генетический код триплетен. Каждая аминокислота кодируется группой из трех нуклеотидов (триплетом нуклеотидов, табл. 2.1). 2. Вырожденность генетического кода. Одна аминокислота может кодироваться не одним, а несколькими определенными триплетами нуклеотидов 3. Однозначность генетического кода. Каждому кодону соответствует только одна аминокислота, т.е. триплет шифрует только одну аминокислоту. 4. Неперекрываемость генетического кода. Процесс считывания генетического кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание следующих идет без пропусков, т.е. внутри гена нет знаков препинания. Например, при выпадении одного или двух нуклеотидов из цепи, при считывании образуется белок, не имеющий ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном. 5. Универсальность генетического кода. Генетическая информация для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (от ромашки до человека), кодируется одинаково. 6. Линейность генетического кода. Кодоны прочитываются последовательно в направлении закодированной записи от 5'-конца к 3 ' -конц у. Контрольные вопросы и задания 1. Что такое нуклеотид? 2. Какие нуклеиновые кислоты Вы знаете, чем они различаются? 3. Перечислите пуриновые и пиримидиновые основания. 4. Что собой представляет молекула ДНК? 5. В чем заключается правило комплементарности? 6. Перечислите типы РНК и их функции. 7. Что такое репликация ДНК? 8. Изобразите схематично репликацию ДНК. 9. Что такое ген, сколько генов имеет человек? 10. Изобразите структуру гена. 11. Что такое экзон и что такое интрон? 12. Как происходит расшифровка генетической информации? Изобразите схему этого процесса. 13. Что такое транскрипция и трансляция? 14. Что такое кодон? 15. Дайте определение генетического кода. 16. Перечислите свойства генетического кода. |