Лекция - Материальные основы наследственности

Подождите немного. Документ загружается.

МАТЕРИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Наследственность – это свойство организмов передавать потомству

и воспроизводить родительские признаки в других поколениях.

О природе наследственности на протяжении истории человечества

высказывались самые разнообразные предположения.

Каннибалы дикарских племен поедали мозг, сердце и печень

убитого врага, чтобы унаследовать его ум и храбрость (обычай

сохранился до наших дней: самураи второй мировой войны называли

его кимотори).

Коренные жители Австралии, еще в начале нашего века считали, что

и физические, и духовные качества человек получает не от родителей, а

от духа предка, который вселяется в него при рождении, а до того

дожидается появления своей смертной оболочки где-нибудь в

большом муравейнике или скале причудливой формы.

С развитием цивилизации люди стали понимать, что дело не в духах

предков: предки возрождаются в потомках лишь потому, что передают по

цепи поколений нечто такое, что определяет их признаки. Возникли и

первые родословные — монархов, аристократов, собак и породистых

лошадей.

Самая древняя из родословных животных изображена на обломке

глиняной печатки, найденной в междуречье Тигра и Евфрата. На печатке

четко видны наследственные признаки лошадей — прямой, выпуклый и

вогнутый профиль и особенности гривы (торчащая и свисающая).

Возможно, это не родословная, а своего рода отчет о скрещивании для

выведения наилучших пород лошадей.

Первые ответы на вопросы наследственности с научной точки зрения

дал чешский монах Грегор Мендель, преподававший физику и

естественную историю в средней школе города Брно. Он выращивал

душистый горошек и даже не думал, что станет основоположником новой

науки, создателем классических законов генетики.

Работа Менделя в XIX в. прошла незамеченной. Скромный

ученый-любитель на 35 лет опередил современное ему развитие науки.

Лишь в 1900 г. законы Менделя были переоткрыты сразу тремя

учеными — Г. де Фризом, К. Корренсом, Э. Чермаком. Этот год и

считается начальным для генетики.

Далее генетика развивалась интенсивными темпами и уже в первой

половине ХХ века были сформулированы ее основные постулаты.

1. Все наследственные свойства живых организмов определяются

материальными, дискретными, т. е. отделяемыми друг от друга, частицами.

Их назвали генами. Именно гены передаются из поколения в поколение

при делении клеток.

2. При каждом делении клеток гены должны удваиваться в

числе. Иначе они просто потеряются.

3. Гены у высших организмов — эукариот — расположены в ядрах

клеток; лишь немногие встречаются в цитоплазме клеток и

определяют так называемый матроклинный тип наследования — по

женской линии.

4. В ядрах гены лежат не «россыпью», а образуют линейные

структуры хромосомы, хорошо различимые в оптический микроскоп. В

переводе с греческого хромосома – окрашенное тело. Их действительно

удается окрашивать с помощью особых методик, и тогда у делящихся

клеток они становятся хорошо видимыми под оптическим микроскопом.

Число хромосом варьирует от двух (у малярийного плазмодия) до

тысячи и больше (у некоторых растений и простейших). У бактерий

хромосома 1, очень короткая и свернута в виде колечка. Человеческая

хромосома в длину около метра, чтобы поместиться в клетке ей придется

очень сильно скрутиться, наподобие клубка. У молодой, только что

разделившейся клетки, хромосомы уже не видны.

5. При половом размножении, при слиянии мужской половой

клетки с женской, потомок получает один набор хромосом от отца, другой

— от матери. Редко наблюдается партеногенетическое размножение (без

оплодотворения), когда начало организму дает неоплодотворенная

яйцеклетка или клетка тела (соматическая).

6. При образовании половых клеток (гамет) число хромосом

уменьшается вдвое. Нормальное (диплоидное число) восстанавливается

при слиянии половых клеток.

7. Парные хромосомы, одна из которых происходит от материнского

организма, а другая от отцовского, называют гомологичными

хромосомами. Расхождение отцовских и материнских хромосом по новым

гаметам — процесс случайный. Это исключает вероятность возникновения

совершенно одинакового потомства.

8. Случайное расхождение хромосом при мейозе не единственная

причина возникновения разнообразия в потомстве. Выстроившись

попарно, гомологичные хромосомы могут обмениваться частями. Этот

процесс получил название кроссинговера (перекреста). В результате гены,

полученные от отца и матери (из разных гомологичных хромосом), могут

оказаться сцепленными в одной хромосоме.

9. Изредка, с частотой в среднем 10

—5

на поколение, гены способны

изменяться. Такие наследственные изменения назвали мутациями. Удалось

установить, что частота мутаций возрастает при воздействии жесткого

излучения, например рентгеновских лучей и некоторых химических

веществ.

10. Случайные превращения генов приводят к тому, что практически

каждый ген оказывается представлен несколькими разновидностями. Эти

формы генов назвали аллелями.

11. Основной путь наследования - геномный, при котором

информация передается через хромосомы. Однако при зачатии

материнская яйцеклетка, в десятки раз превышающая по размеру

сперматозоид, передает дополнительную информацию дочерней клетке.

Такое наследование называется цитоплазматическим. Открытие

последнего типа наследования принадлежит молекулярному генетику А.К.

Уилсону. То есть при рождении ребенок получает 50% генов от матери,

50% от отца и дополнительную информацию, хранящуюся в цитоплазме

материнской яйцеклетки.

Уже во второй половине ХХ века была открыта эпигеномная

наследственность, информация, которая передается другими путями. Для

млекопитающих характерно воздействие на плод на эмбриональном

уровне. Любая инфекция, болезнь, перенесенная матерью, влияет на плод.

Например, если мать на первых месяцах переболела краснухой

(достаточно безобидным, в общем, то заболеванием), у плода с 90%

гарантией будут наблюдаться серьезные отклонения в физическом и

психическом развитии. Также возможна передача наследственной

информации посредством некоторых вирусов, способных встраиваться в

геном клетки (лизогенные вирусы).

В сороковых годах XX века было установлено, что материальным

носителем наследственной информации являются нуклеиновые кислоты,

и в первую очередь дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Первые

прямые доказательства роли ДНК как хранителя генетической

информации получил О.Эвери в 1944 году в экспериментах с бактериями.

ДНК локализована в хромосомах вирусов, нуклеоидах бактерий,

ядрах эукариот, а также в некоторых цитоплазматических структурах

(митохондриях, хлоропластах, плазмидах бактерий). В молекулах ДНК

зашифрованы все признаки, присущие данному виду организмов. И только

у РНК-содержащих вирусов первичным генетическим материалом

являются РНК – рибонуклеиновые кислоты.

Структура молекулы ДНК была открыта в 1953 году Дж..Уотсоном и

Ф.Криком. Молекула ДНК представляет собой полимер (полимерами

химики называют длинные цепочки, состоящие и одинаковых или разных

звеньев мономеров). Мономерами ДНК являются нуклеотиды (от

латинского nucleus – ядро).

Каждый нуклеотид состоит из трех различных молекул: остатка

фосфорной кислоты (фосфата), углевода (дезоксирибозы или рибозы) и

самого важного звена – азотистого основания.

Если посмотреть на химические формулы азотистых оснований, то

можно увидеть, что аденин имеет сходное строение с гуанином (так

называемые пуриновые азотистые основания или просто пурины). А

цитозин - с тимином (пиримидиновые основания).

Поскольку в составе пентозы имеется 5 атомов углерода, то каждый

из них можно пронумеровать индексом от 1 до 5. В каждом нуклеотиде

азотистое основание всегда присоединяется к первому углеродному

атому. А формирование линейной цепочки ДНК происходит при

соединении пентозы одного нуклеотида с фосфатом другого. В этом

процессе принимают участие 3 и 5 углеродный атом пентозы. В итоге

каждая цепочка будет иметь «головной» - 5 и «хвостовой» - 3 конец.

Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из 2

антипараллельных цепочек, закрученных друг относительно друга. При

этом любой аденин, расположенный на одной цепи, соединяется с

противоположным ему тимином на другой цепочке, а гуанин - с

цитозином. Такой принцип соединения двух цепочек ДНК получил

название принципа комплементарности. По этой причине в любом

образце ДНК молярное содержание тимина соответствует молярному

содержанию аденина, а гуанина – цитозину (правило эквивалентности

Чаргаффа). А соотношение пар А-Т и Г-Ц имеет значительные колебания

при сравнении образцов ДНК организмов разных видов.

В последние годы были получены данные о существовании у вирусов

одноцепочных ДНК.

Что же связывает единичные цепи двойной спирали в молекуле

ДНК? Между комплементарными азотистыми основаниями образуются

так называемые водородные связи с участием электроположительного

водорода (протона) и какого-либо электроотрицательного центра

(кислорода, азота). Для существования жизни водородные связи имеют

архиважное значение: вода кипит лишь при достижении 100° С только

потому, что молекулы ее связаны друг с другом связями между

кислородными и водородными ядрами. Исчезни эти связи — и все океаны

на Земле вскипели бы.

Водородные связи гораздо слабее ковалентных; поэтому двойная

спираль распадается на комплементарные половинки, если раствор ДНК

подщелочить или нагреть до 100° С. Этот процесс называется

денатурацией и он обратим. Если понизить рН раствора или понизить

температуру, половинки ДНК, сталкиваясь в хаотическом тепловом

движении, в конце концов находят друг друга, пары А—Т и G—С

восстанавливаются, и снова возникают двойные спирали.

В популярной литературе ДНК часто сравнивают с очень длинным

текстом. Только текст ДНК написан не тридцатью тремя «буквами», а

всего лишь четырьмя. Их роль то и играют азотистые основания: аденин,

тимин, гуанин и цитозин (они обозначаются соответственно заглавными

буквами А, Т, Г, Ц). Каждый нуклеотид молекулы ДНК содержит одно из

перечисленных оснований.

Каждый из нас состоит примерно из 10

клеток. Каждая клетка

представляет собой миниатюрную фабрику для производства белков.

Именно белковые молекулы лежат в основе всех процессов

жизнедеятельности организма, и именно их состав и строение определяют

индивидуальность организма.

Функции белков в клетках очень многообразны. Сокращается

мышца, работает мозг, борется организм с попавшими в него бактериями

или вирусами, переваривается в желудке и кишечнике пища, бактерия

разъедает камень — во всех разнообразных процессах главную роль

играют белки.

Молекулы белков похожи на длинные цепочки бус, в которых роль

отдельных звеньев играют 20 различных аминокислот, способных

соединяться между собой в любом порядке. Число различных вариантов

белков, составленных всего из пяти аминокислот, уже превышает три

миллиона. В состав же среднего белка входит 100-200 аминокислот.

Понятно, что разнообразие цепочек такой длины будет измеряться уже

астрономическими числами.

Информация об аминокислотном составе белков организма

закодирована в молекулах ДНК. Каждые три последовательных

нуклеотида молекулы ДНК кодируют одну аминокислоту (так называемые

триплеты).

При изменении даже одного нуклеотида клетка начнет производить

белок, в котором одна аминокислота заменяется на другую. Если же

аминокислота играет в данном белке ключевую роль, его работа будет

существенно нарушена: в лучшем случае клетка окажется неспособной

выполнять необходимую работу, а в худшем – начнет при этом

бесконтрольно размножаться, что послужит началом образования опухоли.

У высших организмов — эукариот — белки образуются в

цитоплазме клетки, а гены скрыты за оболочкой ядра. Поэтому ДНК

непосредственно не может быть матрицей для биосинтеза белка. Эту роль

выполняет другая нуклеиновая кислота — рибонуклеиновая (РНК).

РНК отличается от ДНК по многим свойствам, но по составу

различается незначительно. Вместо дезоксирибоз РНК слагают рибозы, а

также вместо азотистого основания тимина присутствует его аналог

урацил, отличающийся от тимина только тем, что у него нет метильной

группы СН

. Однако РНК практически всегда состоит из одной

полинуклеотидной цепи, хотя может образовывать комплементарную

двойную спираль с породившей ее однонитчатой ДНК.

Матрицей для синтеза РНК служит одна из цепей двуспиральной

ДНК, которая в этот момент расплетается. Молекулярные биологи назвали

процесс копирования информации с ДНК на РНК транскрипцией

(переписыванием).

Такие РНК можно сравнить с чертежами, которые поступают в цех

завода (в нашем случае цитоплазму), тогда как основные чертежи остаются

в конструкторском бюро – ядре. В молекулярной биологии такие РНК

называют информационными или матричными.

Процесс транскрипции обеспечивается комплексным действием ряда

ферментов, среди которых важнейшая роль принадлежит РНК-полимеразе,

инициирующей этот процесс.

К 70-м годам ХХ столетия совместными усилиями ученых многих

стран удалось расшифровать генетический код, т.е. выяснить, какие

аминокислоты кодирует каждый из 64 теоретически возможных триплетов

матричной РНК. Всего в состав белков входит 20 аминокислот, а

триплетов, их кодирующих – 61. Т.е. каждая кислота может кодироваться

несколькими триплетами, с точки зрения генетического кода имеющими

одно и тоже значение. Такие триплеты стали называть триплетами-

синонимами, а сам генетический код – вырожденным. Нечто похожее

было в старой русской азбуке – там тоже были разные буквы,

читающиеся одинаково: i и «и». Генетический код вырожден

неравномерно – для кодировки аргинина, например, могут использоваться

6 триплетов, а метионин кодируется только одним.

Также были обнаружены три триплета, которые вообще не

кодируют информацию об АМК, зато могут останавливать процесс

считывания информации, т.е. своеобразные «знаки препинания». Их

назвали «стоп-триплетами».

К числу других свойств генетического кода относятся его

неперекрываемость, т.е. один нуклеотид не может одновременно входить

в состав 2 и более триплетов.

Генетический код оказался универсален для всей живой природы:

от бактерий до человека. Лишь в особых внутриклеточных структурах,

митохондриях, снабжающих клетки эукариот энергией, найдены

незначительные отклонения от общего кода. Универсальность

генетического кода имеет огромное практическое значение. Из него

следует, что гены одного организма могут быть перенесены в любой

другой организм.

Уже после того, как генетический код был расшифрован, химики

подметили, что между триплетами в матричной РНК и АМК не

наблюдается никакого химического сродства. Отсюда был сделан вывод о

существовании некой молекулы-посредника, которая узнает одновременно

и тройку нуклеотидов и кодируемую ими АМК. Таким посредником

оказалась также молекула РНК, которая получила название транспортной

РНК.

Т-РНК на одном из концов имеет последовательность нуклеотидов,

комплементарную триплету генетического кода (т.н. антикодон), а на

другом – место для присоединения нужной АМК.

Встреча т-РНК, несущей на себе свою АМК, и и-РНК, несущей

информацию о структуре всего белка, происходит на специальных

клеточных органеллах – рибосомах. Именно на рибосомах и происходит

синтез белков (трансляция).

Современные представления о структурно-функциональной

организации генов

Под геном в рамках классической генетики понимают структурную

единицу, определяющую элементарный признак организма (фен).

Совокупность всех генов отдельного индивидуума называют его

генотипом. Внешние проявления этой информации составляют фенотип

(от греческого phaino – являю). Фенотип – совокупность признаков

организма, которые можно зарегистрировать, взвесить, измерить.

Термином «геном» принято обозначать совокупность всех

генетических элементов (ДНК хромосом, митохондрий, плазмид),

являющихся постоянными для организмов данного вида.

Размеры геномов имеют существенные различия у организмов,

стоящих на разных уровнях эволюционного развития.

По существующим современным представлениям структурные гены

прокариот (бактерий) представлены участками молекулы ДНК, вся

информация которых используется при синтезе кодируемых

полипептидных цепочек.

У некоторых мелких вирусов была обнаружена необычная

организация генетического материала в форме перекрывающихся генов

(по принципу «ген в гене»), которая позволяет осуществлять еще более

экономное использование ограниченных информационных возможностей

генома. Считывание информации перекрывающихся генов начинается с

разных стартовых точек одной и той же нуклеотидной

последовательности, т.е. имеются различные рамки считывания этой

последовательности.

В отличие от прокариот для эукариот типичным является

прерывистый характер организации генов. Гены эукариот состоят из

участков ДНК, несущих информацию о структуре белка (экзонов) и

инертных нуклеотидных последовательностей (интронов), не

принимающими прямого участия в кодировании белковой молекулы. Т.е.

гены эукариотических организмов представляют собой мозаику из

нескольких чередующихся в определенном порядке экзонов и интронов.

Размеры интронов в составе таких генов колеблются от 10 до более 1000

пар нуклеотидов.

Интересно отметить, что вначале информация считывается РНК как

с интронов, так и с экзонов, однако потом молекула РНК подвергается

воздействию определенных ферментов, которые вырезают интроны и

вновь сшивают фрагменты нити и-РНК. Этот процесс получил название

СПЛАЙСИНГА.

Предполагается, что интроны существенно влияют на процессы

рекомбинации между гомологичными генами. Можно полагать, что такие

свойства интронов должны ускорять эволюцию белковых молекул,

облегчая процессы эволюции эукариот в целом, что дает им значительные

преимущества по сравнению с прокариотами.

Одной из особенностей генетической организации эукариот является

также присутствие в их геномах значительного числа повторяющихся

генов. Так, например, в гаплоидном геноме человека, содержащем около 3

• 10

пар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности ДНК

составляют примерно 30 %.

Вскоре после разгадки генетического кода ученые задумались над

вопросом: что «запускает» в клетке одни гены и «выключает» работу

других?

Например, ген, кодирующий пищеварительный белок — пепсин,

задействован только в специализированных клетках слизистой оболочки

желудка. Что было бы, если бы он включился в клетках нервной системы,

человек попросту переварил бы свой мозг.

Значит, должна существовать какая-то система регуляции,

включающая в определенное время одни гены и выключающая

другие.

При каждом структурном гене (кодирующим определенный белок)

должны быть последовательности, определяющие, когда, при каких

условиях этот ген должен быть транскрибирован, сколько актов

транскрипции нужно сделать и когда он должен замолчать. Мало того,

гены-регуляторы должны быть как-то связаны друг с другом. Только в

этом случае одна клетка превратится в эритроцит, а другая в нейрон —

клетку нервной системы.

К числу регуляторных элементов гена относятся:

 Промотор – участок ДНК, где необходимо присоединиться РНК-

полимеразе, чтобы начать транскрипцию. Благодаря этому элементу

считывание генетической информации начинается с определенного

места. Промоторы выполняют своеобразную роль «закладок».

 Энхансеры – участки, с которыми связываются белки-

активаторы, усиливающие синтез и-РНК на ДНК.

 Операторы – участки, с которыми связываются белки-

репрессоры, подавляющие транскрипцию. Если белок репрессор

присоединился к оператору, считывание информации на М-РНК

становится невозможным. Белки репрессоры являются своеобразными

«шлагбаумами», препятствующими процессу транскрипции. Если клетка

нуждается в продукте данных генов, репрессору приходится отделяться

от своего оператора.

 Терминаторы – участки, служащие сигналом остановки

транскрипции.

Белки-активаторы и белки-репрессоры также должны быть

закодированы в каких-то генах. Такими генами являются гены-

регуляторы.

Часто несколько генов, кодирующих белки для взаимосвязанных

процессов, бывают сгруппированы вместе и имеют общие регуляторные

элементы. Подобная совокупность генов с общей системой регуляции

получила название оперона.

Согласно представлениям, сложившимся в рамках классической

генетики, все геномы характеризуются стабильностью и подвержены очень

медленным эволюционным преобразованиям.

Однако в последние годы в геномах и прокариот и эукариот

обнаружены фрагменты ДНК, которые могут перемещаться как в пределах

одного генома, так и из одного генома в другой: это транспозируемые

гены или транспозоны. Способность к транспозиции связана с их

возможностью включения (интеграции) в различные места хромосом и

внехромосомных молекул ДНК и выхода («вырезания») из этих участков.

За открытие транспозон Барбара Мак-Клинток была удостоена

Нобелевской премии в 1983 году, поскольку это открытие коренным

образом перевернула представления классической генетики.

Интегрируясь по соседству с некоторыми генами, транспозоны могут

оказывать существенное влияние на их экспрессию. Так, в организме

человека, комбинаторное объединение транспозон в геноме лимфоцитов

позволяет этим клеткам создавать огромное разнообразие антител.

Некоторые паразиты, напротив, благодаря транспозонам, меняют

свои гены местами, что позволяет им ускользать от контроля имунной

системы хозяина.

В качестве источника мобильных структур генома можно

рассматривать геномную ДНК различных вирусов, которые способны

интегрироваться в те или иные участки ДНК бактерий и эукариот и

некоторое время существовать там в форме провируса, т. е. как составная

часть генетической структуры клетки-хозяина. При последующем

неправильном (неточном) «вырезании» из генома хозяина вирус оставляет

в нем те или иные фрагменты собственного генома и приобретает

отдельные участки генетического материала хозяина.

Становится очевидной также роль транспозонов в развитии ряда

заболеваний животных и человека (лейкозы птиц и млекопитающих,

злокачественные новообразования, СПИД и др.)