Принцип записи наследственной информации

Лекция 4.

1.. ДНК хромосом и принцип записи наследственной программы.

2. Синтез белков: транскрипция и трансляция.

3. Генетический код.

4. Цитоплазматическая наследственность.

Выше уже отмечалась исключительно важная роль хромосом: на них записана наследственная программа. Теперь мы можем уточнить, что на хромосомах запрограммирован на молекулярномуровне синтез белков в клетке. Хромосомы состоят из нуклиотидов, куда входят белки и дизоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК).

Поскольку исследователи установили, что именно хромосомы являются носителем генетической информации, то проблема долгое время сводилась к следующему, белок или ДНК играют основную роль в наследственности.

В начале 50-х годов было накоплено много данных в пользу ДНК как носителя генетической информации, а именно:

-методом специфического окрашивания было показано, что ДНК присутствует в хромосомах всех клеток и что основное количество ее находится именно в хромосомах;

- соматические клетки растений содержат вдвое больше ДНК, чем их гаметы;

- количество гуанина в ДНК всегда равно количеству цитозина, а количество аденина - количеству тимина. Эти соотношения, получившие известность, как правило Чаргаффа, сыграли огромную роль в разгадке процесса наследственности;

- с помощью ДНК, выделенной из одной из бактериальных клеток, можно изменить генетические признаки других бактерий;

- при заражении бактериальных клеток бактериофагами в клетку проникает только ДНК, она контролирует образование новых вирусных частиц.

Несмотря на изложенные выше факты генетическая роль ДНК оставалась непонятной до тех пор пока не была установлена ее структура.

В 1951 американский ученый Джеймс Уотсон и английский Фрэнсис Крик начали совместные исследования по структуре ДНК.

В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали.

Оказалось, что ДНК и является тем материальным субстратом, на молекулах которого записана наследственная программа. Как уже говорилось, все многообразие белков составляют 20 аминокислот. Вид и свойства белка в первую очередь определяются аминокислотным составом и очередностью расположения аминокислот в белковых молекулах.Информация об этом и содержится на ДНК. ДНК это биологический полимер со сложной линейной структурой и огромным молекулярным весом в несколько миллионов. Каждая молекула ДНК состоит из двух параллельных цепочек, которые включают сахарную группу (дизоксирибозу) и фосфорную кислоту, которые чередуются в цепочках в строгой однородной последовательности. Кроме того, в состав ДНК входят четыре азотистых основания: аденин, тимин, цитозин и гуанин. К каждой сахарной группе присоединено по одному азотистому основанию. Азотистые основания одной цепочки соединяются с азотистыми основаниями другой цепочки и образуют, таким образом, двухцепочную структуру. При этом аденин может соединяться только с тимином, а цитозин только с гуанином. Такие пары азотистых оснований называются комплементарными. В каждой цепочке три рядом расположенных компонента – фосфорная кислота, сахарная группа и присоединенное к ней азотистое основание составляют нуклеотид.Поскольку во всех нуклеотидах фосфорная кислота и сахарная группа одинаковы, они различаются между собой лишь азотистыми основаниями. Нуклеотиды, это те элементарные «кирпичики», которые, располагаясь в два ряда, образует молекулы ДНК.

В пространственном отношении молекулы ДНК представляют как бы винтовую лестницу, закрученную в виде спирали, ступеньками которой являются пары азотистых оснований. По такому принципу построена ДНК у всех организмов, начиная от бактериальной клетки и кончая человеком. Различия заключаются в числе разных нуклеотидов и их взаимном расположении и сочетании в цепочках ДНК. Последнее обстоятельство и играет главную роль в наследственности. Оказывается, программа синтеза белков в клетке записана на цепочках ДНК хромосом различным сочетанием четырех разных нуклеотидов.

Проявление генов посредством синтеза белков – многоэтапный и сложный процесс. Одним из первых шагов в синтезе белков является транскрипция – процесс, в котором последовательность оснований ДНК переносится на РНК. Эта РНК затем используется для конструирования молекулы белка в следующей фазе синтеза – трансляции. Процесс проявления генов начинается с раскручивания двойной спирали ДНК. Когда обе нити ДНК отделяются друг от друга, только одна нить участвует в синтезе комплементарной нити иРНК. Молекула иРНК содержит рибозофосфатную основу и азотистые основания: аденин, цитозин, гуанин и уроцил. Синтез РНК регулируется РНК полимеразой. После того как синтез иРНК завершен, две нити ДНК снова объединяются, и молекула снова принимает обычную форму двойной спирали.

В эукориотических клетках молекула иРНК, продуцируемая при транскрипции, называется предварительной молекулой иРНК или пре-иРНК. Эта молекула имеет ряд областей называемых эксонами, которые будут проявляться вместе как одна последовательность аминокислот в белке. Между этими областями имеется ряд промежуточных участков РНК, которые не будут проявляться и которые называются интронами. Интроны скручиваются, образуя петли, и удаляются из молекулы иРНК. Оставшиеся участки соединяются между собой так, что теперь молекула иРНК состоит только из эксонов. Этот процесс происходит в ядре клетки до того, как его покинет молекула иРНК.

К последним этапам изменения молекулы иРНК относится добавление к одному из концов молекулы головки, которая содержит молекулу 7-метилгуанозина. С правого края молекулы добавляется хвост, состоящий из нескольких нуклеотидов, каждый из которых содержит азотистое основание аденин. Этот хвост поэтому называется полиаденином. После добавления хвоста и головки молекула РНК закончена, и она называется готовой иРНК. Готовая иРНК покидает ядро и выходит в цитоплазму. Она достигает рибосомы и принимает участие в синтезе белка.

ДНК является стартовым пунктом для важного клеточного процесса, в котором белок конструируется из отдельных аминокислот. Этот белок может быть ферментом, структурным материалом или использоваться для других нужд клетки.

Во время транскрипции последовательность аминокислотных оснований ДНК управляет сборкой нити иРНК. Затем в процессе трансляции, нить иРНК объединяется с рибосомным комплексом. В это же время тРНК с помощью антикодонов свободно связывается с определенными аминокислотами. Соединившись со своими аминокислотами, тРНК двигаются к рибосоме, где присоединена иРНК. Решающим шагом в этом процессе является подгонка кодона молекулы иРНК к антикодону молекулы тРНК. Когда это произошло, соответствующая аминокислота занимает свое положение. Рибосома двигается вдоль иРНК, гарантируя, что каждый кодон и антикодон будут соответствовать друг другу. Процесс трансляции заканчивается, когда кодоны особого типа на молекуле иРНК подадут сигнал остановиться. На этой стадии полипептид освобождается от рибосомы и подвергается дальнейшим изменениям для создания функционального белка.

Открытие того, что генетическая информация записана в химической структуре ДНК, поставила вопрос о том, каким образом происходит перевод этой информации с 4-х буквенного языка нуклеотидов на 20-ти буквенный язык аминокислот, образующих первичную структуру белка. Когда было установлено, что генетическая информация переписывается с ДНК на иРНК, то стало понятно, что генетический код должен связывать последовательности оснований в и РНК с аминокислотным составом белка.

Единица генетической информации, определяющая, какая из аминокислот будет встраиваться в синтезирующуюся молекулу белка, была названа кодоном. Чтобы 20 аминокислот могли включиться в белок в процессе трансляции иРНК надо чтобы она содержала не менее 20 различных кодонов. Совершенно ясно, что код не может состоять из одного или двух нуклеотидов, так как их только четыре и сочетаний из двух может быть только 16 (4²), а аминокислот 20. В 1954 году Гамовым была высказана гипотеза, что для кодирования одной аминокислоты необходимо не менее трех нуклеотидов, т.е. генетический код должен быть триплетным. В этом случае получается 64 сочетания (4³), которых вполне достаточно для кодирования всех аминокислот.

Генетический код - система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, основанная на определении чередований последовательностей нуклеотидов в ДНК или РНК, образующих кодоны соответствующих аминокислот белков.

В дальнейшем было установлено, какие кодоны соответствуют конкретным аминокислотам, и каким образом осуществляется пунктуация кодона. К 1966 году генетический код был полностью расшифрован. Было установлено, что из 64 возможных триплетов 61 кодируют аминокислоты и три триплета - УАА, УАГ, и УГА служат стоп-сигналами, обозначающими конец трансляции. Кроме того, кодон АУГ означает начало записи, подобно прописной букве в начале предложения.

Было установлено, что генетический код является вырожденным, неперекрывающимся и универсальным. Вырожденным он называется потому, что одной аминокислоте (за исключением метионина и триптофана) соответствует более одного кодона. В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида часто бывают одинаковыми, а третий может меняться. Кодоны не перекрываются, т.е. соседние триплеты не имеют общих оснований. Кроме того, они не содержат каких то разделительных знаков, имеют линейный порядок считывания и характеризуются колинеарностью, т.е. совпадением порядка расположения кодонов в и РНК и порядком аминокислот в синтезирующемся белке.

Универсальность кода заключается в том, что у животных, растений, бактерий и вирусов одинаковые кодоны кодируют одни и те же аминокислоты в молекуле белка. Однако было выяснено, что универсальность генетического кода нарушается в митохондриях. Четыре кодона в митохондриях имеют другой смысл: кодон УГА кодирует триптофан, АУА - метионин, а кодоны АГА и АГГ являются терминирующими. Эти отличия кода в митохондриях, имеют характер упрощения, что может означать, что ДНК митохондрий более примитивна, чем ДНК хромосомная (ядерная).

Аминокислоты

Внеядерная (цитоплазматическая) наследственность. В качестве материальных носителей наследственности, кроме хромосом, могут выступать также и некоторые другие компоненты клетки (пластиды и митохондрии), обуславливая различные формы внеядерной наследственности. В этих органеллах также обнаружена ДНК, только одноцепочная.

Для внеядерной наследственности в первую очередь характерно отсутствие закономерного расщепления, известного под названием “менделирование”, что вполне понятно, так как материальная основа менделирования заключается в перераспределении хромосом между дочерними клетками.

Вторая характерная особенность внеядерной наследственности - наследование только по женской линии.

Известно несколько видов цитоплазмотической или внеядерной наследственности: пестролистность у растений (львиный зев, ночная красавица), мужская стерильность (кукуруза, пшеница, свекла, сорго, лук и др), устойчивость к антибиотикам (зеленая водоросль). В последнее время появились сведения о том, что наступление основных этапов в жизни растение проходит под контролем генов расположенных в цитоплазме (цветение, плодоношение и др.).

Наследование пестролистности у растений. Эксперименты по изучению наследования пестролистности у ряда растений показали, что гены, отвечающие за окраску пластид расположены не в хромосомах, а в цитоплазме. Такие гены, в отличие от ядерных, были названы цитоплазматическими, или нехромосомными. Оказалось что из семян, образующихся на зеленых побегах, вырастают только нормальные зеленые растения, а из семян, полученных с бесцветных побегов вырастают всходы с бесцветными нежизнеспособными листьями, в которых не идет процесс фотосинтеза. Из семян, образовавшихся на пестрых побегах развивается потомство трех видов: с зелеными, бесцветными и перистыми листьями. При искусственном опылении цветков с перистых ветвей пыльцой от цветков с зелеными ветвями и при обратном скрещивании результаты получаются различные. В первом случае (пестролистные ´ зеленые) гибридное потомство получается трех типов пестролистное, зеленое и белое. При реципрокном (обратном) скрещивании (зеленое ´ пестролистное) в потомстве все растения оказываются зелеными. Цветки с зеленых ветвей дают только зеленое потомство, с белых - белое, независимо от опылителя

На основании этого сделан вывод о связи наследования пестролистности с передачей и распределением при клеточных делениях двух типов пластид - зеленых и неокрашенных. Пластиды передаются с яйцеклеткой, в результате чего наследование пестролистности происходит только по материнской линии.

У древесных растений широко распространены перистолистные формы, которые успешно используются в декоративном садоводстве.

Методом изучения внехромосомной наследственности является реципрокное (обратное) скрещивание. Яйцеклетка у высших растений содержит больше цитоплазмы, чем спермий. Поэтому при обратных скрещиваниях, если у скрещиваемых растений существуют наследственные различия, за которые ответственна цитоплазма, они проявляются в сходстве потомства с материнскими растениями. Скрещивания реципрокных гибридов в течении нескольких поколений с их отцами приводит к полному вытеснению материнского генома из ядра исходного материнского растения и замещения его чистым отцовским геномом. Этот способ, называемый насыщающими скрещиваниями, используется в селекции для исправления недостатков сортов.