Глава А. Аналоговые таблицы генетического кода (XIII) Первым, кто попытался упорядочить таблицу генетического кода и построить ее на рациональной основе, был наш выдающийся ученый Юрий Борисович Румер. Он был физиком, учеником Макса Борна, хорошо знал Альберта Эйнштейна,

Глава Б. Барионная оцифровка генетического кода (XIV) ФОРМАТЫ 1D и 2D Строго говоря, барионным числом называется сохраняемое квантовое число системы. Нам нет необходимости углубляться в эту тему. Может быть, стоит помнить лишь то, что барион - это элементарная частица,

8.6. Значение материала патологии для изучения системной организации поведения Таким образом, проекция индивидуального опыта на структуры мозга изменяется в филогенезе, определяется историей обучения в процессе индивидуального развития и модифицируется при

Мутационный процесс - первый поставщик эволюционного материала Элементарные эволюционные факторы выделяют на основе характера и природы их воздействия на популяции, а также по результатам оказываемого ими давления на популяции. При этом необходимым и достаточным

Колебания численности - второй поставщик материала для эволюции Один из важнейших эволюционных факторов - периодические изменения численности особей, популяционные волны. В данном случае речь идет о колебаниях в положительную и отрицательную сторону, сменяющих друг

Изучение динамики генетического состава популяции В начале этой книги подчеркивалось, что одна из важнейших задач современного популяционного исследования - получение материалов по самым разнообразным эволюционным ситуациям в природных популяциях, в частности,

Глава A. Аналоговые таблицы генетического кода (XIII) Первым, кто попытался упорядочить таблицу генетического кода и построить ее на рациональной основе, был наш выдающийся ученый Юрий Борисович Румер. Он был физиком, учеником Макса Борна, хорошо знал Альберта Эйнштейна,

Глава Б. Барионная оцифровка генетического кода (xiv)

Наследственность и изменчивость обеспечиваются функционированием особого материального субстрата – генетического аппарата .

На современном этапе представления о природе позволяют выделить следующие уровни структурно-функциональной организации наследственного материала :

генный;

хромосомный;

геномный.

Элементарной структурой генного уровня организации является ген . Гены относительно независимы друг от друга, поэтому возможны дискретное (раздельное) и независимое наследование (III закон Менделя) и изменение (мутации) отдельных признаков.

Гены клеток эукариот находятся в хромосомах , обеспечивая хромосомный уровень организации наследственного материала. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления и передаются, как правило, вместе. Этот уровень организации – необходимое условие сцепления генов и перераспределения генов родителей у потомков при половом размножении (кроссинговер и случайное расхождение хромосом и хроматид к полюсам при мейозе).

Вся совокупность генов организма в функциональном отношении ведет себя как целое и образует единую систему, называемую генотипом (геномом ). Один и тот же ген в разных генотипах может проявлять себя по-разному. Геномный уровень организации объясняет внутри- и межаллельное взаимодействие генов, расположенных как в одной, так и в разных хромосомах.

Термин «геном» означает полный состав ДНК клетки, то есть совокупность всех генов и межгенных участков.

Организация генома человека (как и каждого эукариотического вида) представляет собой последовательную иерархию элементов :

Нуклеотиды;

Гены с межгенными участками;

Сложные гены;

Плечи хромосом;

Хромосомы;

Гаплоидный набор вместе с внеядерной ДНК.

В начале 50-х годов прошлого столетия было доказано, что элементарной функциональной единицей наследственности и изменчивости , определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организма, является ген , который имеет определенную структурно-функциональную организацию.

Эволюция понятия «ген». Отдельные сведения по наследованию признаков были известны очень давно, однако закономерности их передачи впервые изложил Г. Мендель в 1865 г. в работе: «Опыты над растительными гибридами». Современники не придали значения его открытию. Понятия «ген» в то время еще не было, и Г. Мендель говорил о «наследственных задатках», содержащихся в половых клетках, природа которых была неизвестна.

В 1900 г. независимо друг от друга Г. де Фриз (Голландия), Э. Чермак (Австрия) и К. Корренс (Германия) заново открыли законы Г. Менделя . Этот год и считается годом рождения генетики как науки. В 1902 г. Т. Бовери, Э. Вильсон и Д. Сеттон высказали предположение о связи наследственных факторов с хромосомами. В 1906 г. У. Бэтсон ввел термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен - «ген». В 1911 г. Т. Морган и сотрудники сформулировали основные положения хромосомной теории наследственности.

В начале XX в. господствовало представление о стабильности и неизменяемости генов (А. Вейсман, У. Бэтсон ), а если изменения и происходят (Г. де Фриз ), то самопроизвольно, независимо от влияния среды. Это ошибочное мнение было опровергнуто получением индуцированных мутаций Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым (1925) на грибах, Г. Меллером (1927) на дрозофиле и И.Л. Стадлером (1928) на кукурузе.

В это же время существовало представление о неделимости гена. Однако в конце 50-х годов было показано, что ген является дискретной единицей. При выполнении основной функции – программировании синтеза белка – ген выступает как целостная единица, изменение которой вызывает перестройку структуры белковой молекулы. Эту единицу Бензер назвал цистроном . По величине он примерно равен гену. Дискретность гена заключается в наличии у него субъединиц. Элементарная единица изменчивости гена, единица мутации, названа мутоном , а единица рекомбинации (обмен участками гомологичных хромосом в профазе мейоза I) – реконом . Минимальные размеры мутона и рекона равны одной паре нуклеотидов. В настоящее время элементарной структурной единицей гена считают пару нуклеотидов, а функциональной – кодон.

В 20-е годы было установлено, что хромосомы состоят из белка и нуклеиновых кислот. В 1928 г. Н.К. Кольцов предположил, что функции генов выполняют белковые молекулы, и белки способны к самовоспроизведению. Однако, в дальнейшем было доказано, что носителем генетической информации является молекула ДНК.

Таким образом, ген – это структурная единица нуклеиновых кислот (полинуклеотидов), ответственных за хранение, передачу и реализацию генетической информации. Под термином «ген» можно понимать последовательность нуклеотидов в ДНК, которая обусловливает определенную функцию (единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности) в организме. Ген представляет собой минимальное количество наследственного материала, которое необходимо для синтеза т-РНК, р-РНК или пептида с определенными свойствами. По современным представлениям, ген – это участок молекулы ДНК, дающий информацию о синтезе определенного полипептида или нуклеиновой кислоты.

В геноме человека более 30000 генов. Размер генов человека варьируется в широких пределах, однако большинство имеет размеры до 50000 пар нуклеотидов. Передачей генов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальная преемственность – наследование потомками признаков родителей.

Свойства гена. Гены характеризуются определенными свойствами:

Ø специфичностью (каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком расположения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида),

Ø целостностью (при программировании синтеза полипептида ген выступает как неделимая единица) и дискретностью (наличие субъединиц),

Ø стабильностью (относительно устойчивы) и лабильностью (способность мутировать),

Ø плейотропией (один ген может отвечать за проявление нескольких признаков),

Ø экспрессивностью (степень фенотипического проявления) и пенетрантностью (частота проявления гена).

Основные свойства гена как функциональной единицы материала наследственности и изменчивости определяются его химической организацией .

Структура гена представляет собой набор кодонов, которые состоят из трех нуклеотидов (триплетный код). Ген содержит информацию о структуре какого-либо белка, а каждый кодон – о структуре аминокислоты и ее местоположении в белковой молекуле.

В настоящее время известно, что ген имеет сложное внутреннее строение, а отдельные участки обладают различными функциями. В гене можно выделить самую большую часть, которая собственно и определяет строение полипептида. Эта часть называется «цистрон» и может состоять из десятков тысяч пар нуклеотидов. Некоторые гены содержат в себе несколько цистронов (полицистронные или структурные гены). Исследования показали, что размер гена больше, чем размер полипептида. Отсюда вывод, что в гене содержатся нуклеотидные последовательности, не влияющие на строение полипептида, но необходимые для правильного функционирования структурной части (структурного гена). Это регуляторная часть гена (или ген-оператор). Ген-оператор управляет активностью нескольких генов-цистронов и располагается непосредственно возле них. Комплекс из группы структурных генов и гена-оператора образует оперон. Выделяют еще ген-регулятор, который регулирует активность оперона с помощью специального вещества, им продуцируемого – репрессора. Репрессор, воздействуя на ген-оператор, ингибирует его и снижает активность связанных с ним цистронов.

Гены объединяются в блоки, образующие ДНК-нить. При этом они располагаются в линейном порядке, что в дальнейшем предопределяет нитевидную структуру ДНК и хромосом.

Исследования химической природы наследственного материала неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты – полимеры, которые состоят из мономеров-нуклеотидов, включающих три компонента:

Сахар (пентоза);

Азотистое основание.

Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений :

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК);

Рибонуклеиновая кислота (РНК).

ДНК является хранителем наследственной информации во всех клетках про- и эукариот (у вирусов эту функцию может выполнять и молекула РНК); РНК передает и реализует генетическую информацию.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – более химически устойчивый компонент, субстрат наследственности и изменчивости .

Структура молекулы ДНК была расшифрована Дж. Уотсоном, Ф. Криком и М. Уилкинсом в 1953 г. Согласно модели Д. Уотсона и Ф. Крика , молекула ДНК представляет собой две жестко фиксированные параллельно друг другу и закрученные в двойную спираль антипараллельные (напротив конца 3" одной цепи располагается 5" конец другой) полинуклеотидные цепи, звенья которых составляют нуклеотиды.

Митохондрии представляют собой двумембранные органеллы, количество которых в эукариотической клетке может варьировать в зависимости от ее функциональных особенностей. Митохондрии участвуют в окислении жирных кислот, в биосинтезе стероидов, осуществляют синтез аденозинтрифосфатов (АТФ), происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. Аденозинтрифосфат обеспечивает энергией все метаболические реакции организма, которые нуждаются в ее использовании.

Молекулы ДНК, обнаруженные в митохондриях, относятся к категории экстрахромосомных (цитоплазматических) генетических элементов эукариотических клеток. Митохондриальные ДНК (мтДНК) представляют собой кольцевые двухцепочечные молекулы небольших размеров (длина порядка 5-30 мкм), но содержащиеся в клетке в большом числе копий. Так, каждая митохондрия млекопитающих и человека содержит от двух до десяти копий молекулы мтДНК длиной около 5 мкм, тогда как в одной клетке может присутствовать от 100 до 1000 и более митохондрий. В отличие от эукариотических хромосом в составе митохондрий отсутствуют гистоновые белки.

Размер митохондриального генома человека составляет 16 569 пар нуклеотидов, для него характерно большое содержание G-С пар. В составе мтДНК идентифицировано 37 структурных генов: два гена pPHK (12SpPHK, 16SpPHK), 22 гена тРНК и 13 генов, кодирующих белки дыхательной цепи. В процессе эволюции часть генов митохондрий мигрировала в ядерный геном (например, ген митохондриальной РНК-полимеразы). Более 95% митохондриальных белков кодируются генами ядерных хромосом эукариотической клетки.

Комплементарные цепи мтДНК различаются по удельной плотности: одна цепь тяжелая (содержит много пуринов), другая легкая (содержит много пиримидинов). Митохондриальная ДНК имеет одну точку начала репликации (монорепликон). На каждой цепи ДНК митохондрий по одному промотору, транскрибируются обе нити этой молекулы и синтезируются полицистронные РНК, которые подвергаются посттранскрипционным модификациям. При процессинге происходит разрезание полицистронной РНК, полиаденилирование З’-концов мРНК (длина поли-А составляет 55 нуклеотидов) и редактирование РНК (модификация или замена нуклеотидов). При этом 5’-конец мРНК митохондрий не копируется, сплайсинг отсутствует, поскольку митохондриальные гены человека не содержат нитронов.

Таким образом, в митохондриях человека, как и других эукариотических организмах, имеется собственная генетическая система, в которой участвуют мтДНК, митохондриальные рибосомы, тРНК и белки, обеспечивающие процессы транскрипции, трансляции и репликации мтДНК.

Генетический код митохондрий по четырем кодонам отличатся от универсального кода хромосом. Так, в митохондриальных мРНК человека кодоны АГА и АГГ являются стоп-кодонами (в универсальном коде кодируют аргинин), тогда как хромосомный стоп-кодон У ГА в митохондриях кодирует триптофан, а кодон АУА - метионин.

Указанные выше особенности служат аргументами в пользу гипотезы, согласно которой эволюционное происхождение митохондрий связывают с остатками хромосом каких-то древних бактериоподоб- ных организмов, проникших в цитоплазму эукариотической клетки и ставших историческими предшественниками этих органелл.

В молекуле мтДНК обнаружены две гипервариабельные области в 300 и 400 парах нуклеотидов. Они характеризуются высокой частотой мутаций и поэтому используются в качестве маркера для популяционных исследований. Тем более что мтДНК не рекомбинирует и передается потомкам только по материнской линии.

Мутационные изменения в мтДНК могут приводить к возникновению митохондриальных наследственных болезней человека, связанных с нарушениями процессов окислительного фосфорилирования и энергетического обмена в клетках.

В 1869 году швейцарский биохимик Фридрих Мишер обнаружил в ядре клеток соединения с кислотными свойствами и с еще большей молекулярной массой, чем белки. Альтман назвал их нуклеиновыми кислотами, от латинского слова «нуклеус» - ядро. Так же, как и белки, нуклеиновые кислоты являются полимерами. Мономерами их служат нуклеотиды, в связи с чем нуклеиновые кислоты можно еще назвать полинуклеотидами.

Нуклеиновые кислоты были найдены в клетках всех организмов, начиная от простейших и кончая высшими. Самое удивительное, что химический состав, структура и основные свойства этих веществ оказались сходными у разнообразных живых организмов. Но если в построении белков принимают участие около 20 видов аминокислот, то разных нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, всего четыре.

Нуклеиновые кислоты различают на две разновидности - дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С 5 Н 10 О 4 и остаток фосфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы - рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль. Структурная модель ДНК в
виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном, получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г. Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов. Поэтому их называют также полинуклеотидами. Важнейшей характеристикой нуклеиновых кислот является их нуклеотидный состав. В состав нуклеотида - структурного звена нуклеиновых кислот - входят три составные части:

азотистое основание - пиримидиновое или пуриновое. В нуклеиновых кислотах содержатся основания 4-х разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два – к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает молекулам основные свойства.

моносахарид - рибоза или 2-дезоксирибоза. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дизоксирибозу.

остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится фосфорная кислота.

Метод определения состава ПК основан на анализе гидролизатов, образующихся при их ферментативном или химическом расщеплении. Обычно используются три способа химического расщепления НК. Кислотный гидролиз в жестких условиях (70%-ная хлорная кислота, 100°С, 1ч или 100%-ная муравьиная кислота, 175 °C, 2 ч), применяемый для анализа как ДНК, так и РНК, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей и образованию смеси пуриновых и пиримидиновых оснований.

Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентных связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяется в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклео-тид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый - с цитозиновым. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК - принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 - 3,5 млрд.

ДНК - материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген (от греч. genos - род, происхождение) - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) - генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме-мутациям.

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения - образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга. Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.

1. Состав ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие одно из четырех азотистых оснований: аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г); пятиатомный сахар пентозу - дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов. В каждой цепи нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Объединяются две цепи в одну молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи.

Исследуя нуклеотидный состав ДНК различного происхождения, Чаргафф обнаружил следующие закономерности.

1. Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.

2. Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А=Т и G=C. Из этих закономерностей вытекает третья.

3. Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т. е. A+C=G+T. Эти закономерности получили название правил Чаргаффа. Наряду с этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е. что (G+C)/(A+T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше, так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А Т-тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G C-тип с преимущественным содержанием гуанина и цитозина.

Величину отношения содержания суммы гуанина и цитозина к сумме содержания аденина и тимина, характеризующую нуклеотидный состав данного вида ДНК, принято называть коэффициентом специфичности . Каждая ДНК имеет характерный коэффициент специфичности, который может изменяться в пределах от 0,3 до 2,8. При подсчете коэффициента специфичности учитывается содержание минорных оснований, а также замены основных оснований их производными. Например, при подсчете коэффициента специфичности для ЭДНК зародышей пшеницы, в которой содержится 6% 5-метилцитозина, последний входит в сумму содержания гуанина (22,7%) и цитозина (16,8%). Смысл правил Чаргаффа для ДНК стал понятным после установления ее пространственной структуры.

1. Макромолекулярная структура ДНК

В 1953 г. Уотсон и Крик, опираясь на известные данные о конформаци нуклеозидных остатков, о характере межнуклеотидной связи в ДНК и закономерности нуклеотидного состава ДНК (правила Чаргаффа), расшифровали рентгенограммы паракристаллической формы ДНК [так называемой В-формы, образующейся при влажности выше 80% и при высокой концентрации противоионов (Li+) в образце]. Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой правильную спираль, образованную двумя полидезоксирибонуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали практически постоянен вдоль всей ее длины и равен 1,8 нм (18 А).

Макромолекулярная структура ДНК.

(а)-Модель Уотсона - Крика;

(6)-параметры спиралей В-, С- и Т-форм ДНК (проекции перпендикулярно оси спирали);

(в)-поперечный разрез спирали ДНК в В-форме (заштрихованные прямоугольники изображают пары оснований);

(г) -параметры спирали ДНК в А-форме;

(д) -поперечный раз­рез спирали ДНК в А-форме.
Длина витка спирали, который соответствует ее периоду идентичности, составляет 3,37 нм (33,7 А). На один виток спирали приходится 10 остатков оснований в одной цепи. Расстояние между плоскостями оснований равно, таким образом, примерно 0,34 нм (3,4 А). Плоскости остатков оснований перпендикулярны длинной оси спирали. Плоскости углеводных остатков несколько отклоняются от этой оси (первоначально Уотсон и.Крик предположили, что они параллельны ей).

Из рисунка видно, что углеводофосфатный остов молекулы обращен наружу. Спираль закручена таким образом, что на ее поверхности можно выделить две различные по размерам бороздки (их часто называют также желобками) - большую, шириной примерно 2,2 нм (22 А), и малую -шириной около 1,2 нм (12А). Спираль - правовращающая. Полидезоксирибонуклеотидные цепи в ней антипараллельны: это означает, что если мы будем двигаться вдоль длинной оси спирали от одного ее конца к другому, то в одной цепи мы будем проходить фосфодиэфирные связи в направлении 3"à5", а в другой - в направлении 5"à3". Иными словами, на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены 5"-конец одной и 3"-конец другой цепи.

Регулярность спирали требует, чтобы против остатка пуринового основания в одной цепи находился остаток пиримидинового основания в другой цепи. Как уже подчеркивалось, это требование реализуется в виде принципа образования комплементарных пар оснований, т. е. остаткам аденина и гуанина в одной цепи соответствуют остатки тимина и цитозина в другой цепи (и наоборот).

Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи.

Этот принцип является главным следствием модели Уотсона и Крика, поскольку он в удивительно простых химических терминах объясняет основное функциональное назначение ДНК - быть хранителем генетической информации.

Заканчивая рассмотрение модели Уотсона и Крика, остается добавить, что соседние пары остатков оснований в ДНК, находящейся в В-форме, повернуты друг относительно друга на 36° (угол между прямыми, соединяющими атомы С 1 " в соседних комплементарных парах).
4.1 Выделение дезоксирибонуклеиновых кислот
Живые клетки, за исключением сперматозоидов, в норме содержат значительно больше рибонуклеиновой, чем дезоксирибонуклеиновой кислоты. На методы выделения дезоксирибонуклеиновых кислот оказало большое влияние то обстоятельство, что, тогда как рибонуклеопротеиды и рибонуклеиновые кислоты растворимы в разбавленном (0,15 М) растворе хлористого натрия, дезоксирибонуклеопротеидные комплексы фактически в нем нерастворимы. Поэтому гомогенизированный орган или организм тщательно промывают разбавленным солевым раствором, из остатка с помощью крепкого солевого раствора экстрагируют дезоксирибонуклеиновую кислоту, которую осаждают затем добавлением этанола. С другой стороны, элюирование того же остатка водой дает раствор, из которого при добавлении соли выпадает дезоксирибонуклеопротеид. Расщепление нуклеопротеида, который в основном представляет собой солеподобный комплекс между полиосновными и поликислотными электролитами, легко достигается растворением в крепком солевом растворе или обработкой тиоцианатом калия. Большую часть белка можно удалить либо добавлением этанола, либо эмульгированием с помощью хлороформа и амилового спирта (белок образует с хлороформом гель). Широко применялась также обработка детергентами. Позднее дезоксирибонуклеиновые кислоты выделяли с помощью экстракции водными n-аминосалицилат - фенольными растворами. При использовании этого метода были получены препараты дезоксирибонуклеиновой кислоты, из которых одни содержали остаточный белок, тогда как другие были фактически свободны от белка, что указывает на то, что характер связи белок - нуклеиновая кислота различен в различных тканях. Удобная модификация состоит в гомогенизировании животной ткани в 0,15 М растворе фенолфталеиндифосфата с последующим добавлением фенола для осаждения ДНК (свободной от РНК) с хорошим выходом.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты, каким бы способом они не выделялись, представляют собой смеси полимеров различного молекулярного веса, за исключением образцов, полученных из некоторых видов бактериофагов.
4.2 Фракционирование
Ранний метод разделения заключался в фракционной диссоциации гелей дезоксирибонуклеопротеида (например, нуклеогистона) посредством экстракции водными растворами хлористого натрия увеличивающейся молярности. Таким путем препараты дезоксирибонуклеиновой кислоты были разделены на ряд фракций, характеризующихся различным отношением содержания аденина с тимином к сумме гуанина с цитозином, причем более легко выделялись фракции, обогащенные гуанином и цитозином. Сходные результаты были получены при хроматографическом отделении дезоксирибонуклеиновой кислоты от гистона, адсорбированного на кизельгуре, с применением градиентного элюирования растворами хлористого натрия. В улучшенном варианте этого метода очищенные фракции гистона сочетались с n-аминобензилцеллюлозой с образованием диазомостиков от тирозиновых и гистидиновых групп белка. Описано также фракционирование нуклеиновых кислот на метилированном сывороточном альбумине (с кизельгуром в качестве носителя). Скорость элюирования с колонки солевыми растворами увеличивающейся концентрации зависит от молекулярного веса, состава (нуклеиновые кислоты с высоким содержанием гуанина с цитозином элюируются легче) и вторичной структуры (денатурированная ДНК прочнее удерживается колонкой, чем нативная). Таким способом из ДНК морского краба Cancer borealis выделен природный компонент - полидезоксиадениловая-тимидиловая кислота. Фракционирование дезоксирибонуклеиновых кислот проводилось также посредством градиентного элюирования с колонки, наполненной фосфатом кальция.

1. Функции ДНК

В молекуле ДНК с помощью биологического кода зашифрована последовательность аминокислот в пептидах. Каждая аминокислота кодируется сочетанием трех нуклеотидов, в этом случае образуется 64 триплета, из которых 61 кодируют аминокислоты, а 3 являются бессмысленными и выполняют функцию знаков препинания (АТТ, АЦТ, АТЦ). Шифрование одной аминокислоты несколькими триплетами получило название как вырожденность триплетного кода . Важными свойствами генетического кода является его специфичность (каждый триплет способен кодировать только одну аминокислоту), универсальность (свидетельствует о единстве происхождения всего живого на Земле) и неперекрываемость кодонов при считывании.

ДНК выполняет следующие функции:

хранение наследственной информации происходит с помощью гистонов. Молекула ДНК сворачивается, образуя вначале нуклеосому, а после гетерохроматин, из которого состоят хромосомы;

передача наследственного материала происходит путем репликации ДНК;

реализация наследственной информации в процессе синтеза белка.

Какие же из перечисленных выше структурных и функциональных особенностей молекулы ДНК позволяют ей хранить и передавать наследственную информации от клетки к клетке, от поколения к поколению, обеспечивать новые комбинации признаков у потомства?

1. Стабильность . Она обеспечивается водородными, гликозидными и фосфодиэфирными связями, а также механизмом репарации спонтанных и индуцированных повреждений;

2. Способность к репликации . Благодаря этому механизму в соматических клетках сохраняется диплоидное число хромосом. Схематично псе перечисленные особенности ДНК как генетической молекулы изображены на рисунке.

3. Наличие генетического кода . Последовательность оснований в ДНК с помощью процессов транскрипции и трансляции преобразуется в последовательность аминокислот в полипептидной цепи;
4. Способность к генетической рекомбинации . Благодаря этому механизму образуются новые сочетания сцепленных генов.

Блок 2. ДНК. Вопросы 5,6,7.

Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика. Свойства и функции наследственного материала.

Самовоспроизведение генетического материала. Репликация ДНК.

Организация наследственного материала у про- и эукариот. Классификация нуклеотидных последовательностей в геноме эукариот (уникальные, среднеповторяющиеся, высокоповторяющиеся).

В 1868 г. швейцарский химик Ф. Мишер обнаружил в клеточных ядрах, изолированных из гноя, а позже из спермиев лосося вещество, которое он назвал «нуклеином» (от лат. nucleus - ядро). Впоследствии Р. Альтманн (1889 г.) сообщил, что выделенный Ф. Мишером «нуклеин» состоит из двух фракций - белковой и нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, обладают первичной структурой (под которой подразумевается их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Интерес к структуре ДНК усилился, когда в начале XX в. возникло предположение, что ДНК , возможно, представляет собой генетический материал. В 1952 году Чаргаффом было открыто правило комплиментарности, назнаванное впоследствии именем создателя. Оно заключается в том, что:

1. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина - цитозину: А=Т, Г=Ц.
2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.
3. Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6: А+Ц=Г+Т.

Впоследствии, Уилкинсоном была получена рентгенограмма ДНК. А еще несколько позже Уотсон и Крик в 1953 году предложили собственную модель ДНК, за которую вместе с Уилкинсоном были удостоены Нобелевской премии в 1962 году.

Основные принципы строения ДНК.

1. Мономер ДНК-нуклеотид, состоящий из азотистого основания, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания могут быть пуриновые А,Г или пиримидиновые Ц,Т.

2. Азотистые основания присоединяются к С1 атому углерода в молекуле пентозы, а к С5 присоединяется фосфат. У третьего атома всегда есть группа ОН.

3. При взаимодействии фосфата одного нуклеотида с гидроксилом дезоксирибозы другого устанавливается фосфодиэфирная связь.

4.Соединение нуклеотидов происходит через ОН пентозы в положение С3 и фосфата последующего нуклеотида.

5. ДНК есть двойная полинуклеотидная цепь. Две полинуклеотидных цепи связаны между собой водородными связями по принципу комплиментарности, А-Т и Г-Ц. Между А и Т две водородные связи, между Т и Ц три водородные связи.

6. Антипараллельность. 5 конец одной цепи соединяется с 3 концом другой цепи.

7.Диамет спирали ДНК равен 2 нм, а длина шага – 3,4 нм. На каждый виток приходится 10 пар нуклеотидов.

8. Первичная структура - полинуклеотидная цепь.

Вторичная структура - две комплиментарные друг другу антипараллельные полинуклеотидные цепи.

Третичная структура - трехмерная спираль.

9. ДНК обладает способностью к репликации.

РЕПЛИКАЦИЯ.

1 - матричные цепи ДНК; 2 - фермент геликаза, разделяющий цепи матричной ДНК; 3 - ДСБ-белки, препятствующие воссоединению цепей ДНК; 4 - праймаза; 5 - РНК-затравка (синтезируется РНК-полимеразой - праймазой); 6 - ДНКполимераза, синтезирующая дочерние цепи; 7 - лидирующая дочерняя цепь ДНК; 8 - лигаза, соединяющая фрагменты Оказаки отстающей цепи ДНК; 9 - фрагмент Оказаки (150-200 нуклеотидов); 10 – топоизомераза

Синтез новой молекулы ДНК осуществляется полуконсервативным способом. Это значит, что дочерняя молекула будет содержать одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь. Так как синтез ДНК происходит на одноцепочечной матрице, ему предшествует обязательное временное разделение двух цепей, с образованием репликативной вилки. С помощью электронного микроскопа выявили, что область репликации имеет вид глазка внутри нереплицированной ДНК (репликационный глазок, состоящий примерно из 300 нуклеотидов).

Репликон – фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки ее окончания.

Чтобы расплести спираль ДНК нужны особые ферменты(белки). В репликации принимают участие несколько ферментов, каждый из которых выполняет свою функцию.

ДНК-хеликазы(геликазы) разрывают водородные связи между основаниями, разделяют цепи и продвигают репликативную вилку.

Дестабилизирующие белки удерживают цепи.

ДНК –топоизомераза. Вспомним, что ДНК представляет собой спираль. Соответственно, чтобы вилка могла двигаться вперед, спираль должна быстро раскручиваться. Но это потребует большой потери энергии. На самом деле, этого все же не происходит. Этому и способствуют ДНК-топоизомеразы. Они вносят в цепьодно- и двухцепочечные разрывы, позволяющие цепям разделиться, а затем ликвидируют эти разрывы. Благодаряу одна из цепей ДНК начинает вращаться вокруг второй цепи. Также они участвуют в расцеплении колец, образующихся при репликации кольцевых ДНК.

Синтез цепей ДНК происходит с помощью ДНК-полимеразы. Но у этого фермента есть особенность. Он способен добавлять нуклеотиды к 3 концу уже имеющейся цепи. Такую заранее образованную цепь называют затравкой, которую синтезирует праймаза. РНК-затравка отличается от остальной цепи ДНК, так как в ней есть рибоза. Размер затравки невелик. Выполнившая свою функцию затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при этом брешь ликвидируется ДНК-полимеразой (в данном случае вместо затравки она использует 3ОН конецсоседнего фрагмента ДНК).

Репликация ДНК предполагает, что синтез двух цепей происходит одновременно. Но на самом деле все происходит не совсем так. Вспомним, что цепи антипараллельны. А синтез новой цепи может происходить только в направлении от 5 конца к 3. Поэтому непрерывно синтез происходит только на одной цепи (лидирующей). На второй (отстающей) он происходит фрагментами Оказаки. Синтез каждого из фрагментов осуществляется с помощью РНК-затравки. Затем затравки удаляются, бреши заполняются ДНК-полимеразой и фрагменты сшиваются ферментом лигазой .

Структурно-функциональная организация ДНК у про- и эукариот

Изучите таблицы, перепишите их в рабочую тетрадь.