 |
|
АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология |
Доказательства роли ДНК в передаче наследственной информацииТрансформация – это способность одного штамма бактерий встраивать участки молекулы ДНК другого штамма и приобретать при этом свойства последнего. Одним из доказательств роли ДНК в передаче наследственной информации были опыты по трансформации бактерий (Ф. Гриффитс, 1928). В результате их анализа было высказано предположение, что свойство вирулентности от одного штамма пневмококков к другому передают фрагментами молекулы ДНК. Второе доказательство роли ДНК в передаче наследственной информации получили Н. Циндер и Дж. Ледерберг. В 1952 г. они описали явление трансдукции. Трансдукция – это способность бактериофагов переносить фрагменты ДНК от одного штамма бактерий к другому и передавать соответствующие свойства. Еще одним доказательством того, что нуклеиновые кислоты, а не белки, являются носителями генетической информации, были опыты X. Френкель-Конрата (1950) с вирусом табачной мозаики. Так, с открытием явлений трансформации, трансдукции и механизмов взаимодействия вируса и клетки была доказана роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации. В молекулах ДНК с помощью генетического кода зашифрована информация о последовательности аминокислот в пептидах. Именно многообразием белковых молекул, выполняющих в клетках разнообразные биологические функции, обуславливается многообразие жизни. Система записи генетической информации в ДНК (и-РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов называется генетическим кодом.
Свойства генетического кода: 1. Триплетность – одной аминокислоте в полипептидной цепочке соответствуют три расположенных рядом нуклеотида молекулы ДНК (и-РНК); минимальная единица функции - триплет (кодон). 2. Вырожденность (избыточность) - количество возможных триплетов 64, а аминокислот – 20, поэтому одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов. 3. Неперекрываемость – один нуклеотид входит в состав только одного триплета. 4. Универсальность – у всех живых организмов одинаковые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. 5. Однонаправленность считывания (5' => 3'). 6. Среди триплетов генетического кода есть такие, которые не кодируют аминокислот. Они являются «nonsens»-кодонами (терминаторами), обозначающими конец синтеза данной полипептидной молекулы. К ним относятся в ДНК: АТТ, АЦТ, АТЦ; в РНК: УАА, УГА, УАГ. Соответствие кодонов и-РНК аминокислотам
Генетическая информация, записанная в виде определенной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК, обеспечивает синтез определенного белка-фермента, который катализирует течение соответствующей биохимической реакции, в результате чего проявляется признак. На первых этапах генетики существовал принцип «один ген - один признак». В 40-х годах XX века Г. Бидл и Е. Татум установили, что гены отвечают за образование ферментов, которые через клеточный метаболизм оказывают влияние на развитие морфологических и физиологических признаков. Они выдвинули гипотезу «один ген – один фермент». После того, как генетики получили возможность изучать первичные продукты генов, то есть белки, был сформулирован принцип: «один ген – один белок». Структурным элементом белков служат аминокислоты, образующие полипептидные цепи. Обычно в полипептидную цепь входит около 100-200 аминокислот. Последовательность их расположения определяет структуру и биологические свойства белка и зависит от последовательности нуклеотидов в соответствующем участке молекулы ДНК (гене). Каждая из 20 аминокислот кодируется последовательностью из трех нуклеотидов (триплет), составляющих кодон. Ген не всегда детерминирует синтез целой белковой молекулы. Многие белки состоят из нескольких полипептидных цепей, которые кодируются разными генами. Поэтому в настоящее время более точным является принцип: «один ген - один полипептид». Этот принцип находит свое отражение также в том факте, что линейный нуклеотидный код ДНК и последовательность аминокислот в полипептиде соответствуют друг другу (т.е. они колинеарны). Перевод «кода» нуклеотидов на «язык» белка осуществляется по принципу матричного синтеза. Синтез белковых молекул – сложный многоступенчатый процесс. Непосредственным участником его являются молекулы РНК. Структура нуклеотидов РНК сходна с таковой ДНК, но имеются отличия. 1) вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов РНК входит пятиуглеродный сахар – рибоза; 2) вместо азотистого основания тимина – урацил; 3) молекула РНК обычно представлена одной полинуклеотидной цепочкой (у некоторых вирусов – двумя). Различают три типа РНК: • информационная, или матричная РНК, – и-РНК – копируя и перенося генетическую информацию с ДНК на полирибосомы, служит матрицей для синтеза определенного белка; • транспортная РНК – т-РНК – обладает способностью присоединять к себе соответствующую ей аминокислоту и транспортировать ее из цитоплазмы в полирибосомы; • рибосомная РНК – р-РНК – входит в состав рибосом, являющихся главным аппаратом синтеза белка; считают, что р-РНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК. Специальный фермент (РНК-полимераза) расщепляет двойную цепочку ДНК, и на одной из ее цепей (кодирующей) по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды РНК (синтезируется молекула и-РНК – комплементарная копия одной из цепочек ДНК, содержащая информацию о строении полипептида). Этот процесс называется транскрипцией. Молекула и-РНК выходит в цитоплазму через ядерные поры и располагается в малой субъединице рибосомы. Следующий этап в биосинтезе белка – перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот полипептида с участием особых транспортных РНК и рибосом – процесс трансляции. Транспортные РНК (т-РНК) «приносят» аминокислоты в большую субъединицу рибосомы. Молекула т-РНК имеет сложную конфигурацию и похожа по форме на лист клевера. На верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов, которые по своему генетическому коду соответствуют определенной аминокислоте (антикодон); на 5' конце располагается азотистое основание, а на 3' конце – триплет. Каждая т-РНК может переносить только свою аминокислоту. Процесс узнавания «своей» аминокислоты называется рекогницией. Аминокислота присоединяется к т-РНК с образованием аминоацил-т-РНК (фермент аминоацил-т-РНК-синтетаза и АТФ). Энергии этой связи достаточно для образования в последующем пептидной связи. Начальный этап трансляции называется инициацией; при этом к рибосоме всегда присоединяется метионин-т-РНК. Сам процесс трансляции (образование пептидных связей) называется элонгацией, а окончание трансляции - терминацией. Внутри большой субъединицы рибосомы в каждый данный момент находится всего два кодона и-РНК: один - в аминоацильном, второй – в пептидильном центрах. Т-РНК с аминокислотой подходит к аминоацильному центру рибосомы и, если антикодон т-РНК является комплементарным кодону и-РНК, происходит временное присоединение т-РНК с аминокислотой к кодону и-РНК. Затем рибосома передвигается на один кодон и-РНК, и т-РНК с аминокислотой перемещается в пептидильный центр, а к освободившемуся аминоацильному центру рибосомы приходит новая т-РНК с аминокислотой и антикодоном, комплементарным кодону и-РНК. С помощью ферментов между аминокислотами, находящимися в рибосоме, устанавливается пептидная связь. Одновременно разрушаются связи между первой аминокислотой и т-РНК, а также между т-РНК и и-РНК, и т-РНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. Рибосома снова перемещается на один триплет, и процесс повторяется. Считывание информации идет в одном направлении 5' => 3'. Так постепенно наращивается молекула полипептида, в которой аминокислоты располагаются в строгом соответствии с порядком кодирующих их триплетов (колинеарность). На заключительном этапе (терминация) рибосома доходит до одного из «nonsens» - кодонов и-РНК (УАА, УГА, УАГ), и синтез полипептида прекращается. Уровни упаковки генетического материала. Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми и негистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. В интерфазе этот комплекс представлен в виде ядерной структуры, названной хроматином в связи с ее способностью прокрашиваться основным красителем. Длина нуклеопротеидных фибрилл в диплоидном наборе хромосом человека равна примерно 2n, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около 150 мкм. Принято считать, что каждая хроматида хромосомы содержит одну непрерывную молекулу ДНК. Упаковка генетического материала достигается путем спирализации (конденсации). 1. Первый уровень упаковки ДНК – нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой глобулу (октамер), содержащую по две молекулы каждого из четырех гистонов - (Н2А, Н2В, Н3, Н4), вокруг которой двойная спираль ДНК образует около двух витков и переходит на следующую глобулу. Длина «накрученного» фрагмента ДНК составляет примерно 50 нм (около 200 пар нуклеотидов). Образованная таким способом нуклеосомная нить имеет диаметр 10-13 нм. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз. Нуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и в начале митоза. 2. Второй уровень упаковки – соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, ее нуклеосомы «сшиваются» гистоном Н1, и образуется спираль диаметром около 25 нм. Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз. Супернуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе как в интерфазных, так и в митотических хромосомах. 3. Третий уровень упаковки – хроматидный (петлевой). Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уровень упаковки, который обнаруживается в профазе. Диаметр петель около 50 нм. Нить ДНК укорачивается в 10-20 раз. 4. Четвертый уровень упаковки – уровень метафазной хромосомы. Хроматиды в метафазе способны спирализоваться с образованием эухроматиновых (слабо спирализованных) и гетерохроматиновых (сильно спирализованных) участков; происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 2,3 до 11 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНК в 10000 раз. В 70-е годы были разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом человека, которые показали, что каждая пара хромосом имеет специфический характер чередования неокрашенных, светло- и темно-окрашенных дисков (Парижская классификация). При рутинных методах окраски хромосом они различаются по форме и соотносительным размерам. При использовании специальных методик выявляется неравномерное распределение красителя по длине хромосомы, строго специфичное для каждой отдельной хромосомы и ее гомолога. Истинный генный материал окрашивается как эухроматин. Каждая хромосома специфична по морфологии и характеру дифференциального окрашивания. При переходе клетки к митозу хроматин приобретает вид хорошо различимых отдельных плотно окрашенных телец - хромосом. В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры) – особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками. В зависимости от места положения центромеры и длины плеч, расположенных по обе стороны от нее, различают следующие формы хромосом: • равноплечие, или метацентрические; • неравноплечие, или субметацентрические; • палочковидные, или акроцентрические; • точковые – очень мелкие, форму которых трудно определить. Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Хромосомная ДНК подразделяется на две группы участков: • с уникальной последовательностью пар нуклеотидов; • с повторяющимися последовательностями. Последние – тандемные – различаются по длине каждого повтора и числу повторов: • если повтор состоит из 2-8 пар нуклеотидов, то их называют микросателлитами; • группу повторов с числом пар нуклеотидов от 10 до 100 000 – минисателлитами. Мини- и микросателлитные тандемные повторы разбросаны по всему геному и представляют собой уникальную для каждого человека комбинацию по числу тандемных повторов в локусах и числу таких локусов. Выявление их характеризует генетический полиморфизм каждого человека, оценка которого используется в медико-генетических и судебно-медицинских целях. Хромосомы – основные носители наследственной информации – заключают в себе гены, расположенные в линейном порядке. Представление о хромосомах как носителях комплекса генов было высказано на основе наблюдений сцепленного наследования ряда родительских признаков друг с другом при передаче их в ряду поколений. Такое сцепление неальтернативных признаков было объяснено нахождением соответствующих генов в одной хромосоме. Представление о линейности расположения генов в каждой хромосоме основывается на наблюдении нередко возникающей рекомбинации (взаимообмена) между материнскими и отцовскими комплексами генов, расположенных в гомологичных хромосомах. Это наблюдение дало возможность высказать предположение о связи частоты рекомбинации с последовательностью расположения генов и расстоянием между ними в хромосоме. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет немаловажную роль в характере их функционирования. Расположение гена в той или иной хромосоме определяет тип наследования соответствующего признака. Открытие сцепленного наследования неальтернативных признаков легло в основу методики построения генетических карт хромосом, которые описывают порядок расположения генов и других генетических элементов на хромосоме с указанием расстояния между ними в морганидах. Генетические карты хромосом строятся по результатам анализирующего скрещивания. Знание генетических карт необходимо в разных разделах медицинской генетики: • диагностика болезней методом сцепления; • оценка патологических эффектов хромосомных мутаций; • решение вопросов популяционной и эволюционной генетики. Цитологическая карта хромосомы представляет собой фотографию или точный рисунок хромосомы, на котором отмечается последовательность расположения генов. Ее строят на основе сопоставления результатов анализирующего скрещивания и хромосомных перестроек. Например, если хромосома с доминантными генами будет последовательно терять отдельные локусы (при воздействии на нее мутагенов), то в гетерозиготе начнут проявляться рецессивные признаки; порядок появления признаков будет указывать на последовательность расположения генов. Цитологические карты создаются путем определения локализации генов в хромосомах. Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно сложившуюся структуру. Разные хромосомы генетически индивидуальны. Каждая хромосома уникальна по набору заключенных в ней генов и представляет собой довольно устойчивую структуру. Поэтому одна хромосома не может заменить другую. Постоянство в составе и распределении генов по хромосомам и в пределах каждой хромосомы – непременное условие нормальной передачи и реализации генетической информации (программы) при развитии организма из оплодотворенной яйцеклетки. Хромосомный набор организма человека (каждой соматической клетки) является двойным (диплоидным) и состоит из 46 хромосом (23 пары), неодинаковых по величине и форме. Парность хромосом определяет парность генов в общем наборе. Все хромосомы удается безошибочно разбить на 7 групп (именуемых английскими буквами от А до G - ABCDEFG), если расположить их в порядке уменьшения общей длины и длины короткого плеча. При этом хромосомы нумеруются арабскими цифрами от 1 до 22. Хромосомы единственной пары, по которой имеется различие между мужскими и женскими клетками, именуются X и Y: у женщин – XX, у мужчин – ХY. Картирование хромосом человека связано с определенными трудностями и производится с использованием методов гибридизации соматических клеток и ДНК. Сейчас известно о локализации нескольких сот генов (в каких хромосомах они находятся, и даже в каких участках). Картирование генов в хромосомах продолжается. «Хромосомы» прокариотических клеток. Представляют собой кольцевые молекулы ДНК, содержащие около 5×106 пар нуклеотидов и образующие комплексы с негистоновыми белками. Используя специальные методы разрушения прокариот, можно обнаружить, что их ДНК собрана в «бусины», близкие по величине нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабильны, что указывает на слабое взаимодействие между ДНК и белками. Характер конденсации хромосомы прокариот не вполне выяснен, но в целом она может быть выделена в виде компактной структуры, называемой нуклеоидом. В прокариотических клетках (бактерии) содержатся и кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов, которыми они могут обмениваться с другими бактериями. Эти автономные генетические элементы – плазмиды – способны реплицироваться вне зависимости от репликации нуклеоида. Плазмиды содержат гены устойчивости к антибактериальным факторам. Кольцевые молекулы ДНК содержатся и в эукариотических клетках в самореплицирующихся органоидах (митохондрии, пластиды). Эти молекулы невелики и кодируют небольшое количество белков, необходимых для осуществления автономных функций органоидов. Такая ДНК не связана с гистонами. Геномом называют всю совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного организма. Любой вид организмов характеризуется специфическим набором хромосом (по числу, размерам и форме). Геном человека по самым скромным подсчетам содержит более 100000 разных генов. Геномный уровень организации наследственного материала, объединяющий всю совокупность хромосомных генов, является структурой с большей стабильностью, нежели генный и хромосомный уровни. На геномном уровне система сбалансированных по дозе и объединенных сложнейшими функциональными взаимосвязями генов представляет собой нечто большее, нежели простую совокупность отдельных единиц. Гены в генотипе объединены в систему благодаря сложным и разнообразным взаимодействиям между ними, которые играют немаловажную роль реализации информации, заключенной в каждом отдельном гене. Проявление действия конкретного гена зависит от других генов. Последние могут влиять на ген непосредственно через взаимодействие кодируемых ими белков-ферментов, изменять течение биохимических реакций и, тем самым, воздействовать на проявление признака. В свою очередь, данный ген может влиять на реализацию действия других генов. На реализацию действия гена влияют факторы внешней среды, которые могут изменять структуру молекул ДНК, и-РНК, белков-ферментов, течение биохимических реакций и, следовательно, фенотипические проявления генов. Результатом функционирования генома во взаимодействии с окружающей средой является формирование фенотипа целостного организма – совокупности всех внешних и внутренних признаков и свойств – во всем многообразии его характеристик на всем протяжении индивидуального развития. Фен - отдельный признак, определяемый одним геном. Механизм дифференцировки стволовых клеток можно представить следующим образом. Недифференцированные клетки имеют разный химический состав цитоплазмы, то есть разные индукторы, которые включают в работу разные блоки генов (транскриптоны), что приводит к синтезу разных белков-ферментов. Разные ферменты катализируют различные биохимические реакции. Таким образом, в разных клетках идет синтез разных типо- и тканеспецифических белков, вследствие чего образуются разные типы клеток, т. е. постепенно химическая разнородность цитоплазмы клеток переходит в морфологические отличия. Главный механизм дифференцировки клеток – блокировка и деблокировка транскриптонов на определенных этапах развития клеток. При образовании яйцеклеток или спермиев (в гаметогенезе) осуществляется специальное клеточное деление, называемое мейозом, при котором двойной набор хромосом становится одинарным (гаплоидным) – образуется гамета, т.е. половая клетка, способная к оплодотворению. При половом размножении в процессе оплодотворения объединяются геномы двух родительских половых клеток, образуя генотип нового организма; гены, представленные в геноме уникальными нуклеотидными последовательностями, в генотипе присутствуют в двойной дозе. Исключение составляют гены, расположенные в половых хромосомах; ввиду того, что морфология эти хромосом различна и одна из них (X) крупнее, многие гены имеются лишь в одной гетерохромосоме и отсутствуют или неактивны в другой. Генотипы индивидов и их клеток – сбалансированные по дозам генов системы. Нарушение дозовой сбалансированности генотипа сопровождается различными отклонениями в развитии. Таким образом, генотип – это генетическая конституция организма, представляющая собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в хромосомном наборе. Совокупность признаков хромосом (их число, форма, размеры, положение центромер), характерных для клеток данного организма, называют кариотипом. Кариотипразличается у представителей разных полов по одной паре хромосом – гетерохромосомы или половые хромосомы; возможны комбинации XX или XY. В настоящее время завершен I этап международной программы «Геном человека». Авторы проекта опубликовали следующие данные об особенностях генома человека. 1. Гены располагаются в хромосомах достаточно скученно, предпочитая собираться в группы, между которыми могут находиться обширные незанятые области (пустыни). В разных хромосомах находится различное количество генов (максимум их в 19-ой хромосоме). 2. Общее количество генов в геноме человека – около 30000. 3. На один человеческий ген приходится больше разновидностей белка, чем у других организмов. В то время как у других видов число различных белков приблизительно равно числу генов, у человека на один ген приходится около трех разновидностей белка. 4. Белки организма человека более сложны, чем белки других организмов. 5. Более 200 генов напрямую унаследованы нами от бактерий. 6. Повторяющиеся последовательности ДНК, которые ранее считались бесполезными, могут оказаться «черным ящиком» эволюции и поведать нам о предыдущих 800 млн. лет развития органического мира. 7. Средняя длина повторяющихся последовательностей – 200-300 базовых нуклеотидов. 8. Уровень мутаций у мужчин в 2 раза больше, чем у женщин, и своим прогрессом человечество обязано мужчинам. 9. Все представители Homo sapiens на 99,9% идентичны по ДНК. 10. Дальнейшее картирование хромосом человека будет иметь практическое значение: станет возможным с помощью методов генной инженерии проводить профилактику и лечение многих наследственных болезней. Наследственность каждой клетки сохраняется в ядре полностью. Даже ядро специализированной клетки сохраняет множество потенций для развития, т.е. оно мультипотентно. Если ядро из клетки – предшественника головастика (специализированная клетка) пересадить в цитоплазму яйцеклетки, развивается нормальное животное (головастик), т.е. дифференцировка преобразует клетку (ее форму и функцию), но не затрагивает генетическую информацию. В каждой клетке гены сохраняются во всех процессах индивидуального развития. Кроме хромосомной (менделевской) наследственности, существуют гены, находящиеся в цитоплазме – плазмогены, представляющие собой отрезки ДНК. Они не обладают свойствами «расщепляться» и распределяются между клетками случайно, т.е. не подчиняются менделевским законам. У человека практически вся локализованная в цитоплазме генетическая информация передается по материнской линии, так как цитоплазма яйцеклетки превосходит цитоплазму сперматозоида по объему почти в 85 тыс. раз. Дата добавления: 2014-11-24 | Просмотры: 4677 | Нарушение авторских прав |