загрузка...
загрузка...
На головну

МОЛЕКУЛЯРНІ ОСНОВИ спадковості

  1.  I. Процесуальні засади призначення і виробництва
  2.  II. Глава IIОснови теорії попиту та пропозиції
  3.  III. ОСНОВИ ФОРМУВАННЯ ЗВ'ЯЗКІВ
  4.  III. Основи надзвичайних ситуацій
  5.  III. ОСНОВИ ЕКОЛОГІЇ
  6.  V. Основи надзвичайних ситуацій, викликаних аваріями і катастрофами на пожежо- та вибухонебезпечних об'єктах економіки.
  7.  V. СОЦІАЛЬНІ ОСНОВИ ПОЛІТИКИ. СУТНІСТЬ ПОЛІТИКИ ДЕРЖАВИ

Докази ролі ДНК у спадковості. Після того як було встановлено, що гени знаходяться в хромосомах і розташовані там в певному порядку, виникло питання про їх хімічний природі. Вченим було відомо, що до складу хромосом вищих організмів входять ДНК і кілька типів гістонових і негістонових білків. До 40-х років нашого століття більшість вчених вважали, що гени мають білкову природу. Російський учений Н. К. Кольцов висловив думку, що хромосома це гігантська біологічна молекула, що володіє властивістю самоудвоения, і що всі властивості і ознаки організму обумовлені будовою, білка і взаємодією його молекул. Здавалося ймовірним, що саме в 6елках укладена спадкова інформація про розвиток всіх ознак і властивостей організму. Однак проведені в подальшому експерименти на мікроорганізмах із застосуванням новітніх методів досліджень дозволили встановити, що генетична інформація зосереджена в нуклеїнових кислотах.

Розкриттю провідну роль ДНК в спадковості передували експериментальні роботи Ф. Гріффітса (1928), проведені ним з вивчення явища трансформації у мікроорганізмів. Свої експерименти він проводив на пневмококах. У цього виду мікробів є два штами - капсульний (S) і бескапсульних (R). Штам S викликає загибель мишей від пневмонії. Він має полисахаридную слизову капсулу і утворює гладкі колонії. Штам R - авірулентний, капсули не має і утворює шорсткі колонії. Гріффітс заражав мишей сумішшю живих бескапсульних бактерій R-штаму і убитих нагріванням капсульних пневмококів S-штаму. В результаті миші захворювали пневмонією і гинули, а виділені з їх тканин клітини були як S-, так і R-штамів. Отже, відбулося перетворення (трансформація) бескапсульних бактерій в вірулентні капсульні бактерії S-штаму.

У 1944 році американський мікробіолог 0. Евері із співробітниками повторив експеримент Гриффитса. З бактерій штаму S він виділив ДНК і вніс її в живильне середовище, на якій розмножувалися бактерії авірулентние штаму R. Значна частина авірулентних бескапсульних бактерій штаму R трансформувалася в капсульні вірулентні бактерії S -штамма. Це явище дало Евері підставу стверджувати про провідну роль ДНК в перенесенні спадкової інформації від одного штаму бактерій до іншого.

Інший експеримент, що підтверджує роль ДНК в спадковості, провели американські вчені І. Чейз і Херші. Вони розмножували ДНК-вірус-бактеріофаг на середовищі, що містить радіоактивні фосфор і сірку Р35 і S33. Радіоактивна сірка включилася в серусодержащие білки оболонки фага, а радіоактивний фосфор - в ДНК. Далі міченими радіоактивними ізотопами фагами заражали бактерії. За допомогою електронного мікроскопа було встановлено, що радіоактивна сірка не проникала в клітку бактерії, всередині клітини був виявлений тільки радіоактивний фосфор. Це свідчило про те, що при зараженні бактерії фагом всередину клітини проникає тільки ДНК. У зараженій клітині утворилося безліч віріонів фага. Отже, генетична інформація, необхідна для синтезу ДНК фагів, міститься в ДНК проникли в клітку вірусів.

Доказом провідну роль ДНК в спадковості є і те, що він розташований головним чином в хромасомах, тому молекулярна генетика який суперечить хромосомної теорії спадковості і законам класичної генетики.

Будова і синтез ДНК. Нуклеїнові кислоти вперше відкрив швейцарський лікар Ф. Мішер в 1868 році. Він виділив з ядер клітин особлива речовина, що володіє кислими властивостями, і назвав його нуклєїнах. Пізніше нуклеїнові кислоти були виділені з дріжджів і зобної залози теляти. У період з 1900 по 1932 рік був з'ясований хімічний склад ДНК. Було встановлено, що в її склад входять: залишки фосфорної кислоти, вуглеводний компонент, дезоксирибоза і чотири типи азотистих основ, два похідних пурину (аденін і гуанін) і два похідних піримідину (тимін і цитозин).

У 1950 році Е. Чаргафф за допомогою методу розподільної хроматографії виявив дуже важливі закономірності, що стосуються будови ДНК. Він встановив, що в ДНК зміст аденіну дорівнює змісту тиміну (А = Т), а зміст гуаніну дорівнює змісту цитозину (А = Ц). Звідси: (А + Г): (Т + Ц) = 1, т. е. сума пуринових нуклеотидів дорівнює сумі піримідинових. Така закономірність вказують на комплементарное з'єднання пуринових і піримідинових основ у молекулі ДНК,

До 1952 року Р. Франклін і М. Уілкінс домоглися отримання високоякісних рентгенограм ДНК. На фотографіях було видно, що ДНК представлена ??двома ланцюгами закрученими навколо власної осі.

Пріоритет в розшифровці структури молекули ДНК належить Д. Уотсоном і Ф. Криком. Цю роботу вони завершили в 1953 році. Відповідно до їхніх моделі, молекула ДНК має подвійну спіраль, що складається з двох нуклеотидних ланцюгів із загальною віссю. Діаметр подвійної спіралі ДНК дорівнює 2 нм, а відстань між витками 3,4 нм. На кожен виток спіралі доводиться 10 пар нуклеотидів, звідси відстань між азотистими підставами одно 0,34 нм. Кожна з ланцюгів ДНК є полінуклеотидом і складається з 4 типів нуклеотидів. До складу нуклеотиду входять: дезоксирибоза (Д), залишок фосфорної кислоти (Ф) і одне з чотирьох азотистих основ (А, Г, Ц і Т). З'єднання пуринових і піримідинових основ з дезоксирибозою призводить до утворення нуклеозида. При приєднанні фосфорного залишку до вуглеводної частини нуклеозида утворюється нуклеотид. Дезоксирибоза в нуклеотидах з'єднується з підставами гликозидной зв'язком, а з залишками фосфорної кислоти - ефірними зв'язками.

Азотисті основи нуклеотидів обох ланцюгів укладені всередині між витками спіралі і з'єднані водневими зв'язками. Причому аденін одного ланцюга завжди пов'язаний тільки з тиміном іншого ланцюга, а гуанін - тільки з цитозином. Пара А - Т з'єднана двома водневими зв'язками, Апара Г-Ц - трьома. Такий порядок азотистих основ називається комплементарностью. Схему будови молекули ДНК можна представити таким чином:

 Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф

/ \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \

Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д 1-я ланцюг

I I I I I I I I I I I

А Г Ц Т Т А Г Г Ц Т А

:::::::::::водневі зв'язку

 Т Ц Г А А Т Ц Ц Г А Т

I I I I I I I I I I I

Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д Д 2-я ланцюг

\ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ /

Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф

Встановлено, що розташування азотистих основ у молекулі ДНК дуже мінливе і характерно для кожного типу. Отже, спадкова інформація зашифрована різної послідовністю підстав чотирьох типів. Азотисті основи обох ланцюгів укладені всередині між витками спіралі і з'єднані водневими зв'язками. Число нуклеотидів і їх послідовність в молекулі ДНК специфічні для кожного виду і частково для кожної особини. Дж. Уотсон ввів поняття про видовий специфічності ДНК. Коефіцієнтом видової специфічності називають відношення (А + Т):(Г + Ц).

реплікація ДНК. ДНК є речовиною, кількість якого суворо постійно у всіх клітинах організму. ДНК знаходиться в хромосомах, і реплікація її відбувається перед кожним подвоєнням хромосом і поділом клітини. На окремих ділянках молекули ДНК утворюються так звані вилки реплікації. У цих місцях водневі зв'язку між азотистими підставами під дією ферментів розриваються, комплементарні нитки

роз'єднуються і кожна з них стає матрицею, на якій відбувається синтез дочірніх ниток.

Схема синтезу молекули ДНК

 А Г Ц Т А Г Г

 А Г Ц Т А Г Г I I I I I I I

А Г Ц Т А Г Г Т Ц Г А Т Ц Ц

 I I I I I I I фермент

 Т Ц Г А Т Ц Ц А Г Ц Т А Г Г

 Т Ц Г А Т Ц Ц I I I I I I I

Т Ц Г А Т Ц Ц

Такий тип реплікації ДНК отримав назву напівконсервативним. Процес синтезу протікає за участю комплексу ферментів, найголовнішим з яких є ДНК-полімераза. Ділянка ДНК в тому місці, де почали розплітатися комплементарні нитки, називається виделкою реплікації. Вона утворюється у прокаріотів в одній певній, генетично фіксованій точці. У молекулі ДНК еукаріот таких "стартових точок" буває кілька. Синтез нових комплементарних ланцюгів при реплікації ДНК відбувається по частинах. Ці відрізки, що складаються з 1000-2000 нуклеотидів, називають фрагментами Окадзакі. Структура, здатна до реплікації (хромосома, плазмида, вірусний геном), називається репліконом. Реплікація забезпечує матеріальну неперервність спадкової речовини клітини.

Будова, синтез і типи РНК. Численними дослідженнями було встановлено, що синтез білка в клітині відбувається в ядрі, де знаходиться ДНК, а в цитоплазмі. Отже, сама ДНК не може служити матрицею для синтезу білка. В даний час з'ясовано, що молекулами, відповідальними за внутрішньоклітинну транспортування інформації та за перетворення цієї інформації в послідовність амінокислот у структурі білкової молекули, є РНК (РНК).

Молекули рибонуклеїнової кислоти мають одну полінуклеотидних ланцюг. До складу молекули РНК входять чотири типи азотистих основ (аденін, гуанін, цитозин і урацил), цукор рибоза і залишки фосфорної кислоти. За складом від ДНК вона відрізняється тим, що замість дезоксирибози містить рибозу і замість пуринового підстави тиміну - урацил. Схему будови молекули РНК можна представити таким чином:

Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф

/ \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \

Р Р Р Р Р Р Р Р Р Р

I I I I I I I I I I

А Г Ц У Т У Р Г Ц У

де, А, Г, Ц, У - азотисті основи, Р - рибоза і Ф - залишки фосфорної кислоти.

Синтез молекули РНК відбувається на одному з ланцюжків молекули ДНК. Цей процес протікає за участю великої кількості ферментів і називається транскрипцією. Причому подвійний ланцюг ДНК розкручується і на одній з її ланцюгів, яка називається смисловий синтезується РНК. У спрощеному варіанті синтез молекули РНК можна представити таким чином:

 смислова ланцюг А Г Ц Т А Г Г

 А Г Ц Т А Г Г I I I I I I I

А Г Ц Т А Г Г У Ц Г А У Ц Ц - РНК

 I I I I I I I фермент

 Т Ц Г А Т Ц Ц

Т Ц Г А Т Ц Ц

Молекулярна маса очищених препаратів РНК коливається від 20000 до 2000000 Д. В організмі існують три основні типи РНК: інформаційна (і-РНК), або матрична (м-РНК), рибосомальная (р-РНК) і транспортна

(Т-РНК).Ці типи РНК розрізняються за величиною молекул і функцій.

інформаційна РНК. Роль інформаційної РНК полягає в тому, що вона переписує інформацію з молекули ДНК і переносить її до місця синтезу білка. У рибосомах і-РНК виконує роль матриці в процесі біосинтезу білка. Інформаційна РНК становить близько 5% від усієї маси РНК. Це досить великі молекули з молекулярною масою 2 млн Д, отже, складається вона із сотень і навіть тисяч нуклеотидів. У клітинах виявляється велика різноманітність і-РНК як за складом, так і за величиною молекул.

транспортна РНК. Ці молекули невеликого розміру. До їх складу входить 75-200 нуклеотидів. Молекулярна маса. 24-30 тисяч Д. Транспортні РНК виконують функцію перенесення амінокислот до місця синтезу білка.До теперішнього часу виявлено близько 60-ти т-РНК. молекула

т-РНК нагадує форму листа конюшини. На кінці одного ланцюга знаходиться акцепторні ділянку - триплет ЦЦА, до якого прикріплюється амінокислота. У центрі середньої петлі знаходиться антикодон - триплет, що складається з трьох нуклеотидів комплементарних генетичним кодом і - РНК.

рибосомальна РНК. Молекулярна маса рибосомальної РНК 50-200 тис. Д. Ця молекула містить близько 6000 нуклеотидів. Рибосомальна РНК синтезується в ядерцях, потім надходить в цитоплазму. Об'єднуючись з особливими білками, вона утворює рибосоми, в яких здійснюється біосинтез білків. Кількість рибосомальної РНК становить близько 80 відсотків.

Генетичний код. Біосинтез білків в клітині.Генетична інформація зашифрована в ДНК за допомогою чергування чотирьох азотистих основ. Відомо також, що спадкову інформацію з ДНК зчитує і-РНК, яка синтезується на одній з її ланцюгів. Однак незрозумілим було питання: яким чином нуклеотидная послідовність і-РНК переводиться в амінокислотну послідовність білка? Було висказанопредположеніе, що це можливо за допомогою генетичного коду. Як генетичного коду можуть виступати поєднання з чотирьох азотистих основ. Заздалегідь можна було припустити, що генетичний код не може состоятьіз одного або двох азотистих підставі, так як в цьому випадку поєднань може бути 16, а амінокислот 20. На думку Г. Гамова генетичний код повинен складатися з трьох азотистих основ. У цьому випадку виходить 64 поєднання, що цілком достатньо для кодування всіх амінокислот.

Розшифровку генетичного коду почали Ниренберг і Маттеї в 1961 році. Вони отримали синтетичні полімери типу Т-РНК. Штучний полімер містив тільки один нукдеотід - урацил. Цей полімер був введений в безклітинну середу з кишкової палички, яка містила всі амінокислоти, рибосоми, АТФ і ферменти. В результаті отримали поліпептид, що складається тільки з фенілаланіну. В іншому досліді використовували штучно отриманий полинуклеотид, що тільки з цитозин, отримали поліпептид, який включав амінокислоту пролін. Потім були отримані молекули РНК різного складу і з'ясовано які амінокислоти вони шифрують. До 1966 року були визначені всі триплети, що кодують ту чи іншу кислоту. Генетичний код був повністю розшифрований. Було з'ясовано, що 61 триплет кодує амінокислоти, а три триплета, є термінальними або визначають кінець синтезу конкретної білкової молекули. Таблиця генетичного коду наводитися ниже:

Таблиця генетичного коду

 1-йнуклеот.  2-й нуклеотид  3-йнуклеот.
У Ц А Г
 У  ФЕНФЕНЛЕЙЛЕЙ  СЕРСЕРСЕРСЕР  ТІРТІРтермін.термін.  ЦІСЦІСтермін.ТРІ  У Ц А Г
 Ц  ЛЕЙЛЕЙЛЕЙЛЕЙ  ПРОПРОПРОПРО  ГІСГІСГЛНГЛН  АРГАРГАРГАРГ  У Ц А Г
 А  ІЛЕІЛЕІЛЕМЕТ  ТРЕТРЕТРЕТРЕ  АСНАСНЛІЗЛІЗ  СЕРСЕРАРГАРГ  У Ц А Г
 Г  ВАЛВАЛВАЛВАЛ  АЛААЛААЛААЛА  АСПАСПГЛУГЛУ  ГЛІГЛІГЛІГЛІ  У Ц А Г

Таким чином, остаточно встановлено, що генетичний код є тріплетним. Крім того, до властивостей генетичного коду відносять: вирожденність, неперекриваемость і універсальність. Виродженість генетичного коду полягає в тому, що, як правило, одну амінокислоту кодують не один, а кілька кодонів. У генетичному коді є амінокислоти, які кодуються одним, двома, трьома, чотирма і шістьма триплету. Неперекриваемость генетичного коду пов'язана з тим, що кожен з нуклеотидів входить тільки в один з кодонів і зчитування йде в одному напрямку - триплет за кодоном. Генетичний код універсальний. Це означає, що у тварин, рослин, бактерій і вірусів одну і ту ж амінокислоту кодують однакові поєднання.

Процес реалізації спадкової інформації в біосинтезі білка здійснюється за участю трьох видів РНК, ферментів, АТФ та інших компонентів. Передачу спадкової інформації з ДНК на білок можна представити таким чином: ДНК > і-РНК > білок. Процес біосинтезу складний і включає ряд етапів - транскрипцію, сплайсинг і трансляцію.

Перший етап називається транскрипцією.Він відбувається в ядрі клітини. В результаті транскрипції спадкова інформація з ДНК переписується на і-РНК. Цей процес здійснюється за участю ряду ферментів, головним з яких є РНК-полімераза. Дослідження показали, що в результаті транскрипції синтезується проматрічная РНК, яка значно більше за розміром і містить фрагменти не несуть спадкової інформації. Вони отримали назву інтронів на відміну від кодують фрагментів, які називаються екзонами. Інтрони зчитуються з молекули ДНК одночасно з екзонами, тому про-м-РНК значно довше, ніж зріла м-РНК. Надалі інтрони "вирізаються" з молекули РНК, а фрагменти екзонів "зрощуються" між собою в строгому порядку. Цей процес називається сплайсингом. В процесі сплайсингу утворюється зріла м-РНК, яка містить тільки ту інформацію, яка необхідна для синтезу білків.

Наступний етап біосинтезу - трансляція.Цей процес відбувається на рибосомах за участю т-РНК. Молекула і-РНК після сплайсингу через пори ядра виходить в цитоплазму і прикріплюється до рибосоми. Трансляція починається з так званого стартового кодону - АУТ. Активовані амінокислоти прикріплюються до т-РНК і переносяться до рибосом. Тут вони відповідно до генетичним кодом з'єднуються в поліпептидний ланцюг. Молекула і-РНК зазвичай працює на декількох рибосомах (5-20), з'єднаних в полісоми. Початок синтезу поліпептидного ланцюга називається ініціацією. Послідовність амінокислот в молекулі білка визначається послідовністю кодонів в і-РНК. Синтез поліпептидного ланцюга припиняється, коли, на і-РНК з'являється один з кодонів -термінаторов (УАА, УАГ або УГА). У схематичному вигляді процес біосинтезу білка можна представити в наступному вигляді:

 АГЦ ГТГ ВАЦ ТТТ ЦТЦ ЦАА МДА АГГ

ДНК I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

v ТЦГ цяць ТТГ ААА ГАГ ГТТ ААТ ТЦЦ - смислова ланцюг

и- РНК АГЦГУГААЦУУУЦУЦЦААУУААГГ

білок сер - вал - аcн - фен - лей - ГЛН - лей - арг

Сучасне уявлення про гені.У поданні Г. Менделя одиницею спадковості був фактор, контролірующійпроявленіе в домінантному або рецесивним стані однієї ознаки. Надалі поняття про ген були розвинені в роботах Т. Моргана, який показав, що ген це локус (ділянка) хромосоми, що має лінійну послідовність і займає строго певне положення.

Відповідно до уявлень класичної генетики довгий час вважалося, що ген здатний до саморепродукції і є неподільною одиницею функції, рекомбінації і мутації. Питання про перегляд уявлень про ген як неподільної одиниці був поставлений вітчизняними вченими під керівництвом Н. П. Дубініна. Вивчаючи мутацію scute (Скьюто), ними було встановлено явище ступеневої аллеломорфізма. У цьому гені було виявлено 14 мутацій, які приводили до редукції щетинок на різних ділянках тіла дрозофіли. Вивчення різних мутантних алелів гена scute дозволило авторам зробити висновок про те, що ген не є неподільною частиною хромосоми, а має складну структуру - він складається з ділянок або центрів. Згідно центровий теорії будови гена ген дробу і складається з окремих ділянок або центрів, які можуть незалежно змінюватися при мутаціях. Мутації можуть зачіпати і кілька центрів одночасно.

ІсследованіяміБензера встановлена ??і найменша одиниця рекомбінації. Було показано, що навіть сусідні нуклеотиди в молекулі ДНК можуть роз'єднуватися шляхом кросинговеру.

У сучасному розумінні ген - це функціональна одиниця молекули ДНК, яка контролює послідовність амінокислот у кодованому білку.Специфічність гена визначається числом нуклеотидів і їх послідовністю. Ген має певну величину, виражену числом нуклеотидів і молекулярною масою. Розмір генів у різних організмів різний, проте в середньому ген включає близько 1000 нуклеотидів. Молекулярна маса гена становить в середньому 700 тис. Д. Найбільш короткими є гени, що кодують т-РНК. Вони включають приблизно 190 пар нуклеотидів. Але є і дуже довгі гени; наприклад, ген фиброина шовку у шовковичного шовкопряда включає 16 тис. пар нуклеотидів.

Ген, що кодує синтез поліпептидного ланцюга, називається структурним. Крім структурних генів існують акцепторні гени, які здійснюють регуляторні функції. Ці гени мають високу специфічність до них можуть приєднуватися лише певні молекули білків-ферментів. Частка структурних і акцепторних генів в загальній ДНК в геномах різних організмів коливається від 15 до 98%. Інша частина ДНК генома отримала назву надлишкової ДНК. Особливо багато надлишкової ДНК міститься в геномах рослин. Для надлишкової ДНК характерна наявність повторів однакових послідовностей нуклеотидів. Бріттен і Кон встановили, що у миші 70% ДНК становлять унікальні послідовності нуклеотидів, а 30% повтори; у людини 68% унікальні послідовності, а 32% повтори. Особливо багато разів в молекулі ДНК зустрічаються повтори структурних генів, що кодують синтез рибосомальної РНК.

лекція 7

 




 ШМАЙЛОВ В. В. |  Генетика, як біологічна наука. Зв'язок генетики з іншими науками. |  ЦИТОЛОГІЧНІ ОСНОВИ спадковості |  ЗАКОНОМІРНОСТІ УСПАДКУВАННЯ ОЗНАК при статевому розмноженні |  Хромосомної теорії спадковості |  мутаційної мінливості |  ГЕНЕТИЧНІ ОСНОВИ онтогенезу |  ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦІЙ. |  ІММЛУНОГЕНЕТІКА |  Спадкування КІЛЬКІСНИХ ОЗНАК |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати