Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 1. ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ

И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ

НАСЛ ЕДСТВЕН НОСТИ

Наследственность как свойство живых

систем долгое время оставалась загадкой. Лишь в конце XIX в.

А. Вейсман впервые указал, что носителями наследственных фак-

торов в клетке служат особые частицы ядра — хромосомы. По его

мнению, эти факторы располагаются в хромосомах линейно и, оче-

видно, имеют химическую природу. В то же время Вейсман считал,

что обычная химическая молекула не может быть носителем наслед-

ственной информации, так как не способна размножаться делением,

а под действием тех или иных агентов лишь распадается на совер-

шенно новые молекулы. Вейсман предполагал существование особой,

«живой», молекулы, способной расти и делиться на одинаковые,

идентичные исходной молекуле половинки. В 20-х годах ученые при-

шли уже к окончательному решению, что наследственное вещество

имеет химическую природу. Так, Н. К. Кольцов в 1927 г. писал:

«В основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая

представляет собой спиральный ряд огромных органических моле-

кул — генов. Возможно, что эта спираль является одной гигантской

длины молекулой». Кольцов представлял хромосому как сложную

структуру, наиболее существенной частью которой является продоль-

ная нить (генонема), состоящая из ряда генов. Генонема, по его мне-

нию,— это огромная белковая молекула или пучок одинаковых длин-

ных молекул. Кольцов считал, что генонема путем точного автоката-

литического воспроизведения может формироваться из окружающего

раствора при наличии готовой молекулы, выполняющей функцию

матрицы.

К этому времени уже были открыты два типа нуклеиновых кис-

лот — ДНК и РНК. Однако строение их было изучено в самых общих

чертах. ДНК обнаруживалась только в ядрах, но тем не менее ее

не считали генетическим материалом из-за одинакового строения и

состава у различных организмов. В 30-е годы выяснилось, что вирусы

содержат нуклеиновые кислоты, и тогда было высказано пред-

положение, что с ними могут быть связаны наследственные функ-

ции.

2. Зак. 5107 о

В дальнейшем альянс химии

(особенно биохимии) и генетики

позволил расшифровать структуру

хромосомы на молекулярном уров-

не и сосредоточить внимание пре-

имущественно на изучении струк-

туры и функции важнейших

классов биополимеров — белков

и нуклеиновых кислот.

История изучения ДНК вклю-

чает три периода.

1. Период открытия нового

фосфороорганического соединения

в ядерных клетках (1869—1943).

2. Период экспериментальных

доказательств генетической функ-

ции ДНК (1944—1960).

3. Период, когда изучение

структуры и функции ДНК стало

одним из разделов генетики (на-

чиная с 1960 и до настоящего

времени).

Нуклеиновые кислоты

Генетическим материалом у большинства живых организмов

является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), у некоторых

форм жизни — рибонуклеиновая (РНК). Изучение их началось во

второй половине XIX в. В 1868 г. Ф. Мишер выделил из клеток гноя

вещество, которое не обладало свойствами белка, и назвал его нук-

леином. В то время роль ядра в наследственности еще не была уста-

новлена. В 1876 г. О. Гертвиг пришел к выводу, что нуклеин —

это вещество, ответственное не только за оплодотворение, но и за

передачу наследственных свойств. Вскоре Мишер установил, что нук-

леин в ядре связан с белком. Значительно позднее, уже после смерти

Мишера, были описаны дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая

кислоты. В 30-х годах существовало мнение, что ДНК, или тимонук-

леиновая кислота, свойственна только ядрам животных клеток. Ее,

как правило, выделяли из зобной железы (тимуса) телят. РНК

считалась растительной нуклеиновой кислотой, поскольку ее обыч-

но получали из дрожжей и зародышей пшеницы. В 1934 г. А. Н. Бе-

лозерский опроверг это представление, выделив тимонуклеиновую

кислоту из проростков гороха и каштана, а также из семян сои и

фасоли.

В состав молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, как показа-

ли первые биохимические исследования, входят четыре азотистых

основания: два пиримидиновых — цитозин (Ц) и тимин (Т) — и два

Кольцов Николай Константинович

(1872—1940).

пуриновых — аденин (А) и гуанин (Г). Эти основания в сочетании с

сахаром образуют нуклеозиды (дезоксицитидин, дезокситимидин, де-

зоксиаденозин, дезоксигуанозин), а с сахаром и фосфорной кисло-

той — нуклеотиды (дезоксиаденозин-5-фосфат, дезокситимидин-5-

фосфат, дезоксигуанозин-5-фосфат и дезоксицитидин-5-фосфат):

нунлеозид

нуклеотид

В 1950 г. Э. Чаргафф впервые получил чистые образцы ДНК и с

помощью тщательного анализа установил, что в ее молекуле про-

центное соотношение пуриновых и пиримидиновых оснований всегда

постоянно. Исходя из этого, он сформулировал правила спаривания

оснований, названные позднее его именем. Согласно этим правилам,

молярное содержание аденина в молекуле ДНК всегда равно таково-

му тимина, а гуанина — количеству цитозина, независимо от того, из

какого организма выделена ДНК и каков количественный состав

оснований в ее молекуле: [А] = [Т] и [Г] = [Ц], а также [А] +

-(- [Г] = [Т] + [Ц]. Это явление оказалось универсальным биологи-

ческим законом, справедливым для любой формы ДНК. Его открытие

способствовало более детальной расшифровке структуры ДНК и по-

служило ключом к ее разгадке.

В 1951 г. в Кембридже биолог Дж. Уотсон и физик Ф. Крик

занялись изучением молекулы ДНК. На основании данных Чаргаффа

и рентгенограмм волокон ДНК, полученных М. Уилкинсом и Р. Фран-

клин, они в 1953 г. предложили модель пространственной организа-

ции структуры молекулы ДНК, за что были удостоены Нобелевской

премии.

Согласно модели Уотсона и Крика, ДНК представляет собой

биологический полимер со сложной линейной структурой и молеку-

лярной массой до 100 млн. Ее мономерными единицами являются

нуклеотиды. Связь между ними в цепи ДНК строго однотипна и осу-

ществляется за счет образования диэфира фосфорной кислоты между

определенными гидроксилами соседних дезоксирибозных остатков.

Азотистое основание, пуриновое или пиримидиновое, также присоеди-

няется к дезоксирибозному остатку, в результате чего образуются

боковые радикалы.

Молекула ДНК представляет собой правозакрученную спираль,

состоящую из двух цепей, расстояние между витками которых 1 нм,

высота витка 3, 4 нм*.

Азотистые основания цепей лежат внутри спирали и образуют

строго фиксированные пары, соединенные водородными связями.

При этом определенному пуриновому основанию одной цепи соответ-

ствует строго определенное пиримидиновое основание другой, в ре-

зультате чего образуются пары А — Т и Г — Ц:

но—Р=0

5'сн

з'\ >

он

Гуанин |

но—р=0

Такой принцип построения молекулы ДНК получил название

принципа комплементарности.

* 1 нм — нанометр= 10

м.

Углеводные остатки и фосфатные группы цепей находятся снару-

жи спирали молекулы ДНК:

В целом структура ДНК напоминает штопор с внутренними пере-

кладинами (рис. 1). Пространственная конструкция ее чрезвычайно

устойчива и вместе с тем эта устойчивость относительна. Наиболее

консервативны и прочны связи между нук-

леотидами одной цепи, что обусловливает

сохранение последовательности азотистых

оснований и структуры генов. Водородные

же связи между азотистыми основаниями

разных цепей сравнительно легко нару-

шаются. Это обеспечивает разъединение

ДНК на самостоятельные нити и, таким

образом, создает возможность удвоения

(репликация) молекулы ДНК с сохранением

при построении новой цепи принципа комп-

лементарности, а также «списывания» ин-

формации с ДНК (транскрипция).

Из вышесказанного следует, что моле-

кулы ДНК у всех живых организмов строят-

ся по единому принципу. Это свидетельствует

об универсальности структуры ДНК.

Количество ДНК в ядрах соматических

клеток одного организма всегда одинаково

и строго постоянно для каждого вида. В то

же время молекулярная масса ДНК и коли-

чество в ней азотистых оснований у разных

видов различные. Кроме того, у разных

видов существует бесконечное множество

Рис. /. Модель строения молекулы ДНК (по Дж. Уотсо-

ну и Ф. Крику, 1953).

вариаций соотношения [А] + [Т] : [Г] + [Ц], но для каждого вида

оно строго постоянно и отражает видовую специфичность моле-

кулы ДНК. Например, соотношение пар азотистых оснований

у человека составляет 0,66, осьминога — 0,54, мыши — 0,81, пше-

ницы — 0,94, у водорослей варьирует от 0,64 до 1,76, у бактерий —

от 0,45 до 2,57. Однако видовая специфичность ДНК определяется

не только количественным содержанием азотистых оснований, но

и порядком их чередования, т. е. последовательностью расположе-

ния в цепи ДНК.

В конце 70-х годов А. Рич обнаружил, что, кроме правозакру-

ченной формы спирали ДНК, названной Б-формой, существует лево-

закрученная форма — Z-ДНК. Оказалось, что участки ДНК, богатые

парами Ц Г, располагающимися последовательно в виде полимера

(Ц — Г)п. могут быть как в той, так и в другой форме. Причем обе

эти формы при изменении биофизических свойств раствора могут

переходить одна в другую. Природная молекула ДНК обычно суще-

ствует в В-форме, но если она содержит участки полимера типа

(Г — Ц)

, то последние могут принимать Z-форму (рис. 2). Пред-

полагается, что формы ДНК, богатые парами Г — Ц, принадлежат

регуляторным участкам генной активности.

Как уже отмечалось, носителем наследственной информации мо-

жет быть и рибонуклеиновая кислота. Это характерно для таких си-

стем, как, например, вироиды и вирусы. Большинство молекул РНК

состоит из одной полинуклеотидной цепочки, в состав нуклеотидов

которой входят фосфатные группы, пятичленный сахар рибоза и четы-

ре азотистых основания (пурины: аденин и гуанин; пиримидины:

цитозин и урацил):

Названия нуклеотидов и нуклеозидов определяются названиями

азотистых оснований, входящих в их состав.

Каждая клетка содержит различные по структуре и функции

классы РНК: информационную (и-РНК), или матричную (м-РНК);

рибосомную (р-РНК); транспортную (т-РНК); гетерогенную ядер-

ную (гя-РНК). Они участвуют в процессах транскрипции и трансля-

ции в период синтеза белка. Молекулярная масса очищенных препа-

ратов РНК колеблется в пределах от 20 000 до 2- 10

, что зависит

от количества азотистых оснований в ее цепи. Более подробно струк-

тура и функция различных типов РНК рассматриваются во второй

главе.

В последние десятилетия была достаточно глубоко изучена струк-

тура наследственного вещества на цитологическом и молекулярном

уровнях у организмов различных систематических групп. Установле-

на четкая зависимость его морфологии, количества, а также содер-

жания и формы нуклеиновой кислоты от степени сложности организа-

ции живых систем (рис. 3): чем сложнее биологическая система,

тем больше генетической информации она содержит. Однако коли-

чество ДНК не всегда соответствует объему генетической информа-

ции живой системы: экспериментально доказано, что большая часть

ДНК эукариотических клеток не несет никакой генетической ин-

форма ции.

Природа генетического материала вироидов

и вирусов

Вироиды и вирусы — это неклеточные формы жизни, их нельзя

считать живыми системами в полном смысле этого слова, ибо они,

обладая наследственностью, не имеют обмена веществ и не способны

самостоятельно размножаться.

Вироид является простейшей формой наследственной структуры.

Он открыт сравнительно недавно. Его происхождение и функция еще

окончательно не выяснены. Вироид представляет собой «обнажен-

ный» участок молекулы РНК, имеющий кольцевую форму, и содержит

информации меньше, чем требуется для одного гена. Так, РНК вирои-

да картофеля включает всего 359 нуклеотидов (рис. 4, а).

По биологической сути вироид — это инфекционная частица,

способная вызывать некоторые болезни у растений.

Вироид воспроизводится только после проникновения в вирус, и

синтез его РНК осуществляется с помощью ферментов этого вируса.

Иными словами, вироид является паразитом вируса. Причем отме-

чается строгая специфичность паразитизма вироида.

Вирусы представляют собой частицы (вирионы), стоящие на гра-

ни между живой и неживой природой и обладающие инфекционными

свойствами. В дословном переводе термин «вирус» обозначает яд,

ядовитое вещество. У человека вирусы вызывают такие тяжелые

заболевания, как оспа, корь, полиомиелит, менингит, грипп и т. д.;

у животных — ящур и куриная чума; у растений — табачная мо-

заика, заболевания картофеля и др. Существуют многочисленные

вирусы, вызывающие гибель бактерий (рис. 4, б). Попадая в клетку

живого организма, вирус настолько изменяет ее «образ жизни», что

она вместо себе подобных клеток образует частицы вируса. Это свой-

ство наследственности характеризует вирус как живой организм.

Но обладая наследственностью и инфекционностью, вирусы не имеют

собственного обмена веществ, вне клетки они безжизненны и ведут

себя как химические соединения, частицы неживой природы. Для

реализации же наследственности требуется наличие обмена веществ,

и вирусам приходится заимствовать его у клеток других организмов.

Таким образом, вирусы по существу являются паразитами на генети-

ческом уровне. Для каждого из них характерна высокая специфич-

ность по отношению к клеткам, которые они способны инфицировать.

В связи с этим вирусы подразделяются на три группы: вирусы

*och6

бактерий (бактериофаги; от гр. фаг — пожирающий), вирусы расте-

ний (фитофаги) и вирусы животных.

По форме, размерам, строению, по механизмам взаимодействия

с клетками вирусы представляют собой очень гетерогенную группу.

Диаметр вирусных частиц колеблется от 20 до 300 нм. Генетиче-

ский материал вируса представлен одной молекулой нуклеиновой

кислоты, ДНК или РНК, не связанной с белком (рис. 5). В связи с

этим вирусы подразделяются на ДНК- и РНК-содержащие. Вирусы

бактерий чаще содержат ДНК, а почти все вирусы растений и подав-

ляющее большинство вирусов человека — РНК.

Молекулярная масса ДНК (или РНК) вируса варьирует в преде-

лах от 3 • 10 до 5 • 10

. Нуклеиновая кислота вируса бывает одно-

или двухцепочечной и может иметь кольцевую или линейную форму.

Кольцевая форма ДНК более стабильна и свойственна большинству

вирусов. Кольцо ДНК (РНК) обычно бывает перекручено, поэтому

она имеет суперспирализованный вид (рис. 6). В неактивном состоя-

нии, когда вирус находится вне клетки, его нуклеиновая кислота

хранится в виде компактных частиц, по форме напоминающих тор

(баранку), или диск.