В период с 40-х годов и по настоящие время сделан ряд открытия (в
основном на микроорганизмах) совершенно новых генетических явлений,
раскрывших возможности анализа структуры гена на молекулярном уровне. В
последние годы с введением в генетику новых методов исследования,
заимствованных из микробиологии мы подошли к разгадке того, каким образом
гены контролируют последовательность расположения аминокислот в белковой
молекуле.
Прежде всего, следует сказать о том, что теперь полностью доказано,
что носители наследственности являются хромосомы, которые состоят из пучка
молекул ДНК.
Были проведены довольно простые опыты: из убитых бактерий одного
штамма, обладающего особым внешним признаком, выделили чистую ДНК и
перенесли в живые бактерии другого штамма, после чего размножающиеся
бактерии последнего приобрели признак первого штамма. Подобные
многочисленные опыты показывают, что носителем наследственности является
именно ДНК.
В 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Дж. Уотстон (США) расшифровали строение
молекулы ДНК. Они установили, что каждая молекула ДНК слагается из двух
полидезоксирибонуклеиновых цепочек, спирально закрученных вокруг общей оси.
В настоящее время найдены подходы к решению вопроса об организации
наследственного кода и экспериментальной его расшифровке. Генетика
совместно с биохимией и биофизикой вплотную подошла к выяснению процесса
синтеза белка в клетке и искусственному синтезу белковой молекулы. Этим
начинается совершенно новый этап развития не только генетики, но и всей
биологии в целом.
Развитие генетики до наших дней – это непрерывно расширяющийся фонт
исследований функциональной, морфологической и биохимической дискретности
хромосом. В этой области сделано уже много сделано уже очень много, и с
каждым днем передний край науки приближается к цели – разгадки природы
гена. К настоящему времени установлен целый ряд явлений, характеризующих
природу гена. Во-первых, ген в хромосоме обладает свойством
самовоспроизводится (авторепродукции); во-вторых, он способен мутационно
изменяться; в-третьих, он связан с определенной химической структуры
дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК; в-четвертых, он контролирует синтез
аминокислот и их последовательностей в белковой молекулы. В связи с
последними исследованиями формируется новое представление о гене как
функциональной системе, а действие гена на определение признаков
рассматривается в целостной системе генов – генотипе.
Раскрывающиеся перспективы синтеза живого вещества привлекают
огромное внимание генетиков, биохимиков, физиков и других специалистов.
Нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты, как и белки, необходимы для жизни. Они
представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до
самых простых вирусов. Выяснение структуры ДНК открыло новую эпоху в
биологии, так как позволило понять, каким образом живые клетки точно
воспроизводят себя и как в них кодируется информация, необходимая для
регулирования их жизнедеятельности. Нуклеиновые кислоты состоят из
мономерных единиц, называемых нуклеотидами. Из нуклеотидов строятся длинные
молекулы – полинуклеотиды. Молекула нуклеотида состоит из трех частей:
пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты. Сахар,
входящий в состав нуклеотидов, представляет собой пентозу.
Различают два типа нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые (РНК) и
дезоксирибонуклеиновые (ДНК). В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся
основания четырех разных видов: два из них относятся к классу пуринов,
другие - к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает
молекулам основные свойства. Пурины – это аденин (А) и гуанин (Г), а
пиримидины – цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У). В молекулах пуринов
имеется два кольца, а в молекулах пиримидинов – одно. В РНК вместо тимина
содержится урацил. Тимин химически очень близок к урацилу, а точнее 5-
метилурацил.
Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах
содержится фосфорная кислота. В результате соединения сахара с основанием
образуется нуклеозид. Соединение происходит с выделением молекулы воды. Для
образования нуклеотида требуется еще одна реакция конденсации, в результате
которой, между нуклеозидом и фосфорной кислотой возникает фосфоэфирная
связь. Разные нуклеотиды отличаются друг от друга природой сахаров и
оснований, которые входят в их состав. Роль нуклеотидов в организме не
ограничивается тем, что они служат строительными блоками нуклеиновых
кислот; некоторые важные коферменты также представляют собой нуклеотиды или
их производные.
Два нуклеотида, соединясь, Образуют динуклеотид путем конденсации. В
результате которой между фосфатной группой одного нуклеотида и сахара
другого возникает фосфодиэфирный мостик. При синтезе полинуклеотидов этот
процесс повторяется несколько миллионов раз. Фосфодиэфирные мостики
возникают за счет прочных ковалентных связей, и это сообщает всей
нуклеотидной цепи прочность и стабильность, что очень важно, так как в
результате этого уменьшается риск «поломок» ДНК, при ее репликации.
РНК имеет две формы: транспортную (тРНК) и рибосомную (рРНК). Они
имеют довольно сложную структуру. Третья форма - это информационная, или
матричная, РНК (мРНК). Все эти формы участвуют в синтезе белка. МРНК – это
одноцепочная молекула, образующаяся на одной из цепей ДНК в процессе
транскрипции. При синтезе мРНК копируется только одна цепь молекулы ДНК.
Нуклеотиды, из которых синтезируются мРНК, присоединяются к ДНК в
соответствии с правилами спаривания оснований и при участии фермента РНК –
полимеразы. Последовательность оснований в мРНК представляет собой
комплиментарную копию цепи ДНК – матрицу. Длина ее может быть различной, в
зависимости от длины полипептидной цепи, которую она кодирует. Большинство
мРНК существует в клетке в течение короткого времени.
Рибосомная РНК кодируется особыми генами, находящимися в нескольких
хромосомах. Последовательность в рРНК сходная у всех организмов. Она
содержится в цитоплазме, где образует вместе с белковыми молекулами
клеточные органеллы, называемые рибосомами. На рибосомах происходит синтез
белка. Здесь «код», заключенный в мРНК, транслируется в аминокислотную
последовательность строящейся полипептидной цепи. Группы, образуемые
рибосомами – полирибосомы (полисомы) – делают возможным одновременный
синтез нескольких молекул полипептидов при участии одной молекулы мРНК.
Для каждой аминокислоты имеется специфическая тРНК, и все они
доставляют содержащиеся в цитоплазме аминокислоты к рибосомам. Таким
образом, тРНК играют роль связующих звеньев между триплетным кодом,
содержащимся в мРНК и аминокислотной последовательностью в полипептидной
цепи. Так как многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами, число
тРНК значительно больше 20 (идентифицировано уже 60). Каждая аминокислота
присоединяется к одной из своих тРНК. В результате образуется аминоацил –
тРНК, в котором энергия связи между концевым нуклеотидом А и аминокислотой
достаточна для того, чтобы в дальнейшем могла образоваться пептидная связь
с карбоксильной группой соседней аминокислоты.
Генетический код.
Последовательность оснований в нуклеотидах ДНК должна определять
аминокислотную последовательность белков. Эта зависимость между основаниями
и аминокислотами является генетическим кодом. С помощью четырех типов
нуклеотидов записаны параметры для синтеза белковых молекул. В код,
состоящий из троек оснований, входит четыре разных триплета. Доказательство
триплетности кода представил Ф. Крик в 1961 г. Для многих аминокислот
существенное значение имеет только первые буквы. Одна из особенностей
генетического кода состоит в том, что он универсален. У всех живых
организмов имеются одни и те же 20 аминокислот и пять азотистых оснований.
В настоящее время успехи молекулярной биологии достигли такого уровня,
что стало возможно определить последовательность оснований в целых генах.
Эта серьезная веха в развитии науки, так как теперь можно искусственно
можно синтезировать целые гены. Это нашло применение в генной инженерии.
Биосинтез белков.
Единственные молекулы, которые синтезируются под прямым контролем
генетического материала клетки, - это белки (если не считать РНК). Белки
могут быть структурными (кератин, коллаген) или играть функциональную роль
(инсулин, фибриноген и, главное, ферменты, ответственные за регуляцию
клеточного метаболизма). Именно набор содержащихся в данной клетке
ферментов определяет, к какому типу клеток она будет относиться. В 1961
году два французских биохимика Жакоб и Моно, исходя из теоретических
соображений, постулировали существование особой формы РНК, выполняющей в
синтезе белка роль посредника. В последствии этот посредник получил
название мРНК.
Данные, полученные с помощью различных методов в экспериментах,
показали, что процесс синтеза РНК состоит из двух этапов. На первом этапе
(транскрипция) относительно слабые водородные связи между комплиментарными
основаниями полинуклеотидных цепей разрываются, что приводит к
раскручиванию двойной спирали ДНК и освобождению одиночных цепей. Одна из
этих цепей избирается в качестве матрицы для построения комплиментарной
одиночной цепи мРНК. Молекулы мРНК образуются в результате связывания друг
с другом свободных рибонуклеотидов. Синтезированные молекулы мРНК, несущие
генетическую информацию, выходят из ядра и направляются к рибосомам. После
того, как образовалось достаточное число молекул мРНК, транскрипция
прекращается и две цепи ДНК на этом участке вновь соединяются,
восстанавливая двойную спираль. Второй этап – это трансляция, которая
происходит на рибосомах. Несколько рибосом могут прикрепиться к молекуле
мРНК, подобно бусинам на нити, образуя структуру, называемую полисомой.
Преимущество такого комплекса состоит в том, что при этом на одной молекуле
мРНК становится возможным одновременный синтез нескольких полипептидных
цепей. Как только новая аминокислота присоединилась к растущей
полипептидной цепи, рибосома перемещается по нитям мРНК. Молекула тРНК
покидает рибосому и возвращается в цитоплазму. В конце трансляции
полипептидная цепь покидает рибосому.
Хромосомный комплекс человека.
На Земле не существует двух совершенно одинаковых людей, за
исключением однояйцовых близнецов. Причины этого многообразия нетрудно
понять с генетических позиций.
Число хромосом у человека – 46 (23 пары). Если допустить, что
родители отличаются по каждой паре хромосом лишь по одному гену, то общее
количество возможных генотипических комбинаций – 223. На самом деле
количество возможных комбинаций будет намного больше, так как в этом
расчете не учтен перекрест между гомологичными хромосомами. Следовательно,
уже с момента зачатия каждый человек генетически уникален и неповторим.
Половые хромосомы человека.
Гены, находящиеся в половых хромосомах, называются сцепленными с
полом. Явление сцепления генов, локализированных в одной хромосоме,
известно под названием закона Моргана. В Х-хромосоме имеется участок, для
которого в У-хромосоме нет гомолога. Поэтому у особи мужского пола
признаки, определяемые генами этого участка, проявляются даже в том случае,
если они рецессивны. Эта особая форма сцепления позволяет объяснить
наследование признаков, сцепленных с полом, например цветовой слепоты,
раннего облысения и гемофилии у человека. Гемофилия – сцепленный с полом
рецессивный признак, при котором нарушается свертывание крови. Ген,
детерминирующий этот процесс, находится в участке Х-хромосомы, не имеющем
гомолога, и представлен двумя аллелями – доминантным нормальным и
рецессивным мутантным.
Особи женского пола, гетерозиготных по рецессиву или по доминанту,
называют носителем соответствующего рецессивного гена. Они фенотипически
нормальны, но половина их гамет несет рецессивный ген. Несмотря на наличие
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
|