Попова Н.А., Юшкова А.А., Баймак Т.Ю. Основы молекулярной генетики. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЫСШИЙ КОЛЛЕДЖ ИНФОРМАТИКИ

Н.А.Попова, А.А.Юшкова, Т.Ю.Баймак

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ

Учебное пособие

Часть 1

Новосибирск

2009

Составители:

к.б.н. Попова Н.А., к.б.н. Юшкова А.А., к.б.н. Баймак Т.Ю.

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ

Учебное пособие

Данное учебное пособие является дополнением к лекционным

курсам и семинарским занятиям по биологии, проводимым для

студентов I-IV курсов в ВКИ НГУ.

Часть1(главы 1-5) предназначены для студентов младших кур-

сов. Они содержат краткие исторические сведения по развитию

молекулярной биологии, базовую информацию о структуре бел-

ков и нуклеиновых кислот, механизмах хранения и реализации ге-

нетической информации в клетках.

В конце учебного пособия приводится словарь биологических

терминов.

Учебное пособие может быть использовано учащимися вы-

пускных классов школ и всеми, кто заинтересован в получении

знаний по молекулярной биологии.

Рецензент: к.б.н. Н.И.Ермолаева

Ответственный за выпуск: А.А.Юшкова

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1

Основные вехи развития молекулярной генетики . . . . . . . . . . . . . 4

Глава 2

Структура и функции белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Глава 3

Нуклеиновые кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Глава 4

Транскрипция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Глава 5

Трансляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Задания к гл. 2-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Глава 1

Основные вехи развития

молекулярной генетики

На рубеже третьего тысячелетия была раскрыта одна из важ-

нейших тайн биологии – постигнута природа наследственной ин-

формации. К ее разгадке ученые шли около 100 лет.

В 1865 году была опубликована статья Г.Менделя, в которой

сообщалось о результатах его экспериментов на горохе. В отличие

от предшественников, Мендель впервые применил гибридологи-

ческий метод для изучения наследования только одного признака.

Он не рассматривал все признаки гороха сразу, а выбирал только

один из них, например, цвет семени. Для скрещивания отбирались

"чистые по признаку растения", т.е. каждое растение давало в по-

томстве растения только с данным признаком. Для анализа потом-

ков в каждом скрещивании Мендель использовал методы строгого

математического анализа. В дальнейшем им было изучено насле-

дование двух или более признаков. Заслуга Менделя в том, что он

на основании своих экспериментов постулировал элементарные

факторы наследственности, впоследствии названные генами, ко-

торые передаются от родителей потомкам. При половом размно-

жении только одна из двух копий гена диплоидного организма по-

падает в гаметы. Сливаясь в результате оплодотворения, гаметы

образуют зиготу, несущую по одной копии гена от каждого из ро-

дителей. Присутствуя в одном организме, гены не изменяют друг

друга, а при формировании следующего поколения опять перехо-

дят в гаметы по одному.

Великое открытие Г.Менделя не сразу было оценено учеными

по достоинству. В большей степени это обусловлено тем, что к

тому времени не было представлений ни о физической, ни о хими-

ческой природе факторов наследственности – генов.

Только в 1900 году после публикации статей Г.Де Фриза,

К.Корренса и Э.Чермака законы наследственности, сформули-

рованные Г.Менделем, были "переоткрыты" и стали известны

широкой научной общественности. Законы Менделя были под-

тверждены многими учеными на разных объектах – растениях и

животных. В 1905 году У.Бетсон предложил термин "генетика"

(от латинского "geneo" – порождаю) для нового направления нау-

ки о наследственности. Однако на вопрос, что же представляют

собой элементарные генетические факторы, ответа не было.

Открытием, важным для понимания природы наследственно-

сти, явилась сформулированная У. Сэттоном и Т. Бовери хромо-

сомная теория наследственности, предполагающая, что свой-

ства и поведение хромосом при половом размножении объясняют

постоянство генетического материала и процесс наследования в

соответствии с законами Менделя. Другими словами было пред-

сказано, что гены находятся во внутриклеточных структурах –

хромосомах, строение и назначение которых к тому времени было

непонятным. Для четкого доказательства этой гипотезы необходи-

мо было установить, что определенный ген (гены) присутствует

в определенной хромосоме. Исчерпывающие экспериментальные

доказательства этого положения были получены Т.Морганом в

1910 году. Он впервые доказал ассоциацию гена "white" (белые

глаза) с Х-хромосомой дрозофилы.

Далее было показано, что гены находятся в хромосомах в ли-

нейном порядке. При образовании дочерних клеток путем митоза

все гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются вместе –

сцеплено, т. е. представляют физически непрерывный ряд, назван-

ный группой сцепления. Однако в процессе образования половых

клеток происходит физический обмен между областями гомоло-

гичных хромосом, в результате чего на свет появляются генети-

ческие рекомбинанты. Обмен участками хромосом был назван

кроссинговером. Вскоре было показано, что его частота пропор-

циональна расстоянию между генами в хромосоме. А.Г. Стертеван

предложил использовать частоту рекомбинации между локусами

гомологичных хромосом в качестве единицы расстояния между

генами. На этом принципе основано генетическое картирование,

т. е. установление взаимной локализации генных локусов в хро-

мосоме.

Что же является химической основой генов и как реализуется

их действие, оставалось загадкой. Выдающийся российский гене-

тик Н.К.Кольцов в 30-х прошлого века сформулировал поистине

провидческую гипотезу о наследственных самовоспроизводящих-

ся молекулах. Основываясь на большом разнообразии белков, он

предполагал, что хромосома в химическом отношении представ-

ляет собой две нити молекул белка, каждая из которых разделена

на гены. Он же предполагал, что в основе удвоения хромосом ле-

жит матричный синтез, сохраняющий порядок и структуру ге-

нов. Кольцовская идея матричного синтеза воплотилась в модели

двойной спирали ДНК Д. Уотсона и Ф. Крика только через 25

лет! Представления о белковой природе носителей генетической

информации были поддержаны и другими учеными. ДНК на эту

роль в то время вообще не рассматривалась, ее считали слишком

простым соединением с монотонной структурой, которому по вы-

ражению Э. Шредингера "было бы странно приписывать роль но-

сителя наследственных свойств".

Открытия, которые привели к современному представлению

о генетической роли ДНК, начались в 1928 году экспериментами

Ф.Гриффитса по трансформации у пневмококков. Невирулентный

для мышей штамм пневмококков после инкубации с убитым на-

греванием вирулентным штаммом становился вирулентным, при-

водящим животных к гибели от пневмонии. В 1944 году Т.Эвери

с соавторами показали, что трансформирующим фактором в этих

экспериментах служила ДНК. Удивительно, что и эти результаты

не убедили ученых в том, что ДНК и есть вещество наследствен-

ности. Они заставили лишь усомниться в том, что единственная

функция ДНК – это формирование структуры хромосомы. Соб-

ственно химический состав нуклеиновых кислот ДНК и РНК был

известен сравнительно давно. Само существование нуклеиновых

кислот было обнаружено швейцарским биохимиком Ф. Мишером

еще в 1868 году. Однако, как и открытие Менделя, открытие Ми-

шера никто не оценил. Затем А. Кессель установил, что в состав

нуклеиновых кислот входят четыре азотистых основания – аде-

нин, гуанин, цитозин и тимин. После этого наш соотечествен-

ник А.Левин показал, что в состав нуклеиновой кислоты, помимо

остатка фосфорной кислоты и азотистого основания, входит сахар

– дезоксирибоза. Именно Левин предложил одну из первых моде-

лей структуры ДНК. Согласно ей, четыре нуклеотида, различаю-

щиеся только азотистым основанием, связаны последовательно в

стандартный тетрануклеотид, который многократно повторяется.

Естественно, что столь однообразная и монотонная структура не

годилась на роль материальной структуры генов. Поэтому среди

генетиков существует выражение, что Левин "повесил тетрану-

клеотидный кирпич", отвративший надолго внимание ученых от

ДНК.

Неверие в генетическую роль ДНК сохранялось вплоть до

1953 года, когда в журнале "Nature" было опубликовано письмо

редактору молодых ученых биолога Джеймса Уотсона и физика

Френсиса Крика, в котором они описали модель двойной право-

закрученной спирали ДНК, в самой структуре которой заложен

принцип самоудвоения (репликации) этой молекулы. Честь от-

крытия вторичной структуры ДНК эти авторы разделили с рент-

генографами М. Уилкинсом и Р.Франклин, которые получили

рентгеноструктурное изображение двойной спирали ДНК. В 1962

г за эти исследования была присуждена Нобелевская премия. От-

крытие двойной спирали ДНК и механизма её матричного синтеза

– репликации – послужило толчком для стремительного развития

молекулярной биологии.

Глава 2

Строение и функции белков

В живых клетках синтезируется множество макромолекул

(белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот). Эти макромолеку-

лы представляют собой биополимеры, построенные из мономер-

ных единиц. В полисахаридах мономерными единицами служат

сахара и их производные, в нуклеиновых кислотах – нуклеотиды,

в белках – аминокислоты. Белки помимо аминокислот могут со-

держать и другие компоненты, однако трехмерная структура бел-

ков, а, следовательно, и их биологические свойства определяются

в основном аминокислотным составом.

Аминокислотами называются органические вещества, в мо-

лекулах которых содержатся аминогруппа –NH

и карбоксильная

группа –COOH. Те из них, у которых обе функциональные группы

присоединены к одному и тому же атому углерода (см. рис.1), на-

зываются

α-аминокислотами.

Благодаря наличию и кислотной группы, и аминогруппы моле-

кула аминокислоты в целом нейтральна. Однако в зависимости от

особенностей строения радикала аминокислоты могут быть кис-

лыми, основными или нейтральными.

Кроме того, что аминокислоты служат основой для построения

белков, в организме они могут выполнять и другие важные функ-

ции: ряд биологически активных веществ, например, некоторые

сигнальные вещества, образуется именно из аминокислот.

В природе существует около 300 аминокислот, однако в состав

белков живых организмов входят только 20 их вариантов. Все

аминокислоты входящие в состав белков являются исключитель-

но

α-аминокислотами и отличаются друг от друга строением ра-

дикала. Он может быть представлен предельным углеводородом,

бензольным кольцом, содержать гидроксильную, амидную или

карбоксильную группу (см. таблицу 1 в «Приложении»). Некото-

рые аминокислоты содержат в боковой цепи атомы серы. Хотя по

строению радикал может быть как гидрофобным, так и гидрофиль-

ным, но все аминокислоты легко растворяются в воде и других

полярных растворителях благодаря наличию аминогруппы –NH

и карбоксильной группы –COOH.

Молекулам

α-аминокислот свойственна оптическая изоме

рия.

– CH – C

Рис. 1. Схематическое изображение аминокислоты.

Пунктиром обведен участок, общий для всех

α-аминокислот,

R – радикал – вариабельная часть.

Особенностью всех живых организмов нашей планеты является

то, что в состав их белков входят оптические изомеры амино-

кислот только одного типа (L-форма). Интересно, что хотя для

D-формы

α-аминокислот типичен сладкий вкус, но L-формы чаще

горькие или безвкусные. Тем не менее, на их основе часто полу-

чают искусственные сладкие вещества. Один из представителей

сахарозаменителей, очень широко используемый, – аспартам – по-

лучают путем соединения аспарагиновой аминокислоты (она без-

вкусная) и фенилаланина (эта аминокислота горькая). Аспартам

примерно в 100-200 раз слаще сахара (сахарозы), производство

его недорогое, и, соответственно, он активно используется в пи-

щевой промышленности. В частности аспартам можно найти на

полках магазинов в составе лимонада и подобных напитков (ино-

гда под другим коммерческим названием).

Для построения своих белков организмы должны обеспечить

себя всеми требуемыми аминокислотами. Растения являются авто-

трофными организмами и все необходимые для себя органические

вещества, в т.ч. аминокислоты, синтезируют сами. Относительное

количество (процентный состав) тех или иных аминокислот от-

личается у разных видов растений. Животным и человеку амино-

кислоты требуются в иных соотношениях, чем растениям и при

организации питания, особенно вегетарианского, следует учиты-

вать эти особенности.

Некоторые из двадцати аминокислот, входящих в состав бел-

ков, не могут синтезироваться в организмах животных и должны

поступать вместе с пищей. Такие аминокислоты принято называть

незаменимыми. Для человека незаменимыми являются восемь

аминокислот из двадцати (а для детей первого года жизни – де-

вять). Суточная потребность взрослого человека в каждой из этих

аминокислот – около 1 г.