АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Гены и хромосомы

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик не только постулировали структуру ДНК, но и объяснили, каким образом может передаваться генетическая информация. Это происходит в три этапа:

- репликация (копирование родительской ДНК с образованием дочерних ДНК);

- транскрипция (переписывание генетической информации в форме РНК);

- трансляция (перевод информации с РНК на белковую форму).

Роль ДНК как носителя генетической информации подтверждается опытными фактами. Так, Освальдом Эвери, Колином Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти было показано, что ДНК, выделенная из одного штамма бактерий, способна перейти в клетки другого штамма и трансформировать их, передавая некоторые наследственные признаки донора.

Ряд вирусов имеет одноцепочечную молекулу ДНК, но у большинства ДНК-содержащих вирусов ДНК двухцепочечная, и она линейна или замкнута в кольцо. В клеточных организмах ДНК содержится в хромосомах. Бактериальная хромосома содержит гораздо большую по размерам молекулу ДНК, также свёрнутую в кольцо. Эти кольца сверхспирализированы: двойная спираль, прежде чем её концы были соединены, была частично раскручена. Такой эффект позволяет молекуле разместиться более компактно.

Хромосомы эукариот представляют собой линейную молекулу ДНК. Эукариотическая ДНК обматывает белковые частицы – гистоны, располагающиеся вдоль ДНК через определённые интервалы, образуя хроматин – волокна, из которых состоят хромосомы. Комплексы участков ДНК и гистонов называются нуклеосомами. Нуклеосомы упорядочены в пространстве, за счёт чего достигается плотная упаковка ДНК в хромосоме.

Размеры ДНК зависят от типа организма. Физическая длина ДНК вирусов составляет десятки микрометров, бактерий – миллиметры, а человека – 2 метра. Общая длина всех ДНК человека составляет 2∙10¹⁰ км.

Структурными генами называются участки ДНК, кодирующие белковые цепи, т-РНК и р-РНК. В классической биологии гены определяли как часть хромосомы, определяющей какой-то наследственный признак. Более точное определение дала молекулярная биология: ген – фрагмент генетического кода, который может синтезировать только один определённый полипептид или РНК. Наряду со структурными генами ДНК содержит регуляторные последовательности. Они могут обозначать начало или конец структурного гена, запускают или прекращают транскрипцию.

Ген среднего полипептида имеет длину в десятые доли микрометра. Гены, кодирующие т-РНК, значительно короче. Вирусные ДНК содержат небольшое количество генов, бактериальные – уже тысячи генов. Бактерии защищают собственную ДНК метилированием некоторых оснований. Чужеродная ДНК, не имеющая строго определённых опознавательных метильных групп, разрушается эндонуклеазами.

В генах эукариот содержатся нетранслирующиеся вставки – интроны. Их значение до конца не понятно; возможно, они делят гены на отдельные участки, которые могут рекомбинировать в ходе эволюции с образованием новых генов. Вообще, нетранслируемого материала в клетках эукариот довольно много – возможно, около 10 %.

Часть генов «работает» только при определённых условиях. Так, ген, регулирующий синтез инсулина, способен выполнять свои функции только в специальных клетках поджелудочной железы, а гемоглобин вырабатывается только в том случае, если гены, отвечающие за его синтез, находятся в клетках молодых эритроцитов.

Некоторые гены повторяются в ДНК во множестве копий. Таковыми, например, являются гены, синтезирующие кератин перьев цыплят, – для быстрого роста животного необходима большая скорость производства «строительного материала», и один ген с этой работой не справлялся бы.

Доказать, что проявление определённого признака, унаследованного организмом, является результатом действия конкретного гена, достаточно трудно. Как правило, признаки проявляются в результате взаимодействия нескольких генов, либо один ген влияет на наследование нескольких признаков сразу. Например, наличие окраски у многих растений зависит только от того, окажутся ли рядом два необходимых гена. Один-единственный ген может вызвать у животных изменение целого ряда систем.

Гибридизация ДНК

При нагревании или других экстремальных условиях спираль ДНК расплетается, и её цепи разделяются. Если этот процесс не дошел до конца, то он легко обратим вспять. При полной денатурации обратный процесс будет протекать значительно медленнее: комплементарным участкам цепей сначала нужно «отыскать» друг друга, после чего две цепи сравнительно быстро «застёгиваются» наподобие молнии, вновь образуя двойную спираль. Одноцепочечная ДНК одного вида организма может образовать гибрид с ДНК другого вида, при условии, что нуклеотидные последовательности цепей хоть немного похожи. Естественно, спариваются только отдельные участки цепей, которые комплементарны друг другу. Исследуя образование таких гибридов, можно сделать вывод об отно Репликация и транскрипция ДНК

При синтезе «неинформационной» молекулы (например, гликогена) чистота конечного продукта обеспечивается специальным ферментом. Для фермента характерна субстратная специфичность, то есть его активный центр способен присоединять только молекулу UDP-глюкозы и нередуцирующий конец молекулы гликогена, которая должна быть удлинена. Таким образом, активный центр фермента можно рассматривать как «матрицу», поскольку между молекулами субстрата осуществляется комплементарная подгонка.

При синтезе макромолекул ДНК, РНК или белков один активный центр фермента не в состоянии обеспечить специфическую последовательность четырёх кодирующих единиц. Он может связывать между собой только один или несколько «строительных блоков», а нуклеиновые кислоты содержат в своём составе тысячи нуклеотидов. Поэтому природа пошла здесь по другому пути: матрицей для синтеза цепи молекулы ДНК служит другая цепь ДНК.

Транскрипция ДНК в ходе деления клеток начинается с разделения двух цепей, каждая из которых становится матрицей, синтезирующей нуклеотидную последовательность новых цепей. Хеликаза, топоизомераза и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований. Репликация катализуется несколькими ДНК-полимеразами, а транскрипция – ферментом РНК-полимеразой. После репликации дочерние спирали закручиваются обратно уже без затрат энергии и каких-либо ферментов.

Сравнительно неплохо изучен процесс репликации и транскрипции ДНК бактерий. Их ДНК способна реплицироваться, не распрямляясь в линейную молекулу, то есть в кольцевой форме. Процесс, по-видимому, начинается на определённом участке кольца и идёт сразу в двух направлениях (в одном – непрерывно, во втором – фрагментарно с последующим «склеиванием» фрагментов). Инициация репликации находится под контролем клеточной регуляции. Скорость репликации ДНК составляет около 45 000 нуклеотидов в минуту; таким образом, родительская вилка расплетается со скоростью 4500 об/мин.

Частота ошибок при ДНК-репликации не превышает 1 на 10⁹–10¹⁰ нуклеотидов. Столь высокая степень точности воспроизведения информации определяется не только комплементарностью нуклеотидов, но и действием ДНК-полимераз, которые способны распознать ошибку в образующемся коде и исправить её. Следует заметить, что точность воспроизведения РНК и белков в тысячи раз ниже. Это связано с тем, что транскрипция и трансляция, затрагивающие только одну клетку, – не столь жизненно важные процессы, как репликация, которая определяет будущее всего вида.

Репликация ДНК прокариот и эукариот

Репликация эукариот при такой же схеме длилась бы несколько месяцев (скорость движения репликативных вилок составляет всего микрометр в минуту). Поэтому в ДНК эукариот процесс начинается одновременно в сотнях и тысячах точек. Все хромосомы в клетке должны реплицироваться одновременно, и одновременно в клетке работают многие тысячи вилок.

Между репликацией и транскрипцией есть существенная разница: в первом случае копируется вся молекула ДНК, во втором, как правило, только отдельные гены. Минимальная длина и-РНК определяется длиной полипептидной цепи, для которой она предназначена. В идентификации последовательностей нуклеотидов, обозначающих начало и конец синтезирующих РНК генов, ещё много неясного.

Роль малой ядерной РНК в процессе транскрипции

Молекулы р-РНК и т-РНК образуются из более длинных предшественников – гетерогенных ядерных РНК (гя-РНК). Длина гя-РНК увеличена за счет нетранслирующихся интронов, которых в конечных РНК уже нет. Интроны удаляются при помощи малой ядерной РНК. мя-РНК комплементарна нуклеотидам на концах интронов – она временно соединяется с ними, стягивая интрон в петлю. Концы кодирующих фрагментов соединяются, после чего интрон благополучно удаляется из цепи.

Некоторые РНК-содержащие вирусы животных при помощи РНК-зависимой ДНК-полимеразы способны синтезировать ДНК, комплементарную по отношению к вирусной РНК. Она встраивается в геном эукариотической клетки, где может многие поколения оставаться в скрытом состоянии. При определённых условиях (например, воздействии канцерогенов) вирусные гены могут активироваться, и здоровые клетки превратятся в раковые.

Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 749 | Нарушение авторских прав