Молекулярні основи спадковості

PAGE 7

Лекція 3. Молекулярні основи спадковості

1. Нуклеїнові кислоти – матеріальні носії спадкової інформації.

2.Будова та типи ДНК.

3.Будова РНК. Функції ДНК і РНК, транскрипція і трансляція.

4. Генетичний код, його особливості: триплетність, виродженість, неперекритість, універсальність. Праці М.Ніренберга, С.Очоа, Х.Корани з розшифрування генетичного коду.

5.Ген як елементарна одиниця спадковості.

6. Властивості гена: дискретність, алельність, постійність, специфічність, градуальність.

Термінологічний словник: транскрипція (лат.) — переписування; трансляція — лат. перенесення; колінеарність (лат.) - відповідність: трансформація (лат.) — перетворення, зміна; трансдукція (лат.) — переміщення; кодон — три нуклеотида, що кодують одну амінокислоту; антикодон - кодон тРНК, що відповідає кодонові іРНК; денатурація (лат.) - преф. де - .позбавлення, порушення, натура - природні властивості; інтрон (англ.) —проміжна послідовність; екзон (англ.) —. вираженність сплайсинг (англ.) — сплавляти; оперон (лат.) -працюю, створюю; цистрон (лат.) — цис - по цей бік і транс — через, за межами.

Використовуючи класичні методи – цитологічний та гібридологічний аналізи, - генетики переконливо довели, що матеріальною основою спадковості є, насамперед, хромосоми.

Хромосома являє собою нуклеопротеїдну структуру (дезоксинуклеопротеїд), у склад якої входить дезоксиробонуклеїнова кислота, основні білки – гістони, негістонові білки і невелика кількість рибонуклеїнової кислоти. Провідна роль у передачі спадковості належить ДНК, яка є носієм спадкової інформації практично в усіх організмів як прокаріот, так і еукаріот, за виключенням деяких вірусів, носіїв - РНК.

1. Нуклеїнові кислоти – матеріальні носії

спадкової інформації

Нуклеїнові кислоти були відкриті Фрідріхом Мішером ще у 1869 році. Із ядер клітин людини він виділив речовину, яку назвав нуклеїном (від лат. нуклеус – ядро). В подальшому були вивчені будова і молекулярна структура нуклеїну і встановлено, що він представлений двома типами нуклеїнових кислот – дезоксиробонуклеїновою (ДНК), локалізованою переважно у ядрі, і рибонуклеїновою (РНК), яка знаходиться в ядрі і цитоплазмі.

Доказом провідної ролі ДНК у передачі спадковості є те, що вона локалізована головним чином у хромосомах. Кількість ДНК у клітинах кожного організму відносно постійна, до того ж у статевих клітинах – гаметах – кількість її у два рази менша, ніж у соматичних, що відповідає поведінці хромосом у мейозі і при заплідненні.

Однією із головних властивостей ДНК є її здатність самоподвоюватися (реплікуватися), у інтерфазі мітотичного циклу, завдячуючи цьому у кожній клітині багатоклітинного організму зберігається повний об’єм спадкової інформації. (реплікація або редуплікація означає – відновлення, копіювання). Характерною особливістю ДНК є її відносна константність.

Особливість будови ДНК свідчить про її виключну багатогранність, видову та індивідуальну специфічність. Будь які зміни у будові молекули ДНК зумовлюють відповідну змінюваність ознаки або властивостей організму.

2. Будова та типи ДНК

ДНК – це складна високомолекулярна біологічно активна сполука, що є носієм генетичної інформації всіх тваринних і рослинних організмів, бактерій, деяких вірусів.

Концепцію про структуру ДНК запропонували у 1953 році Дж. Уотсон і Ф.Крік, які на основі результатів хімічних і рентгеноструктурних досліджень розробили модель подвійної спіралі. Кожна із ниток спіралі являє собою гетерополімер, який створюється у результаті з’єднання між собою значної кількості нуклеотидів (гетеро – гетерос - інший, частина складних слів, що означає різнорідність). Кожний нуклеотид складається із трьох різних, відокремлених одна від одної, частин: азотистої основи, вуглеводного компонента і фосфорної кислоти.

Різні нуклеотиди у нуклеїнових кислотах з’єднані один з одним через фосфорну кислоту, яка весь час чергується з вуглеводним компонентом, а основи розміщуються по боках. Вуглеводний компонент представлений дезоксирибозою (вДНК). Цукрові та фосфорні компоненти в усіх нуклеїнових кислотах завжди однакові. Щодо основ, то їх існує чотири різних типи – аденін, цитозин, гуанін, тимін. Основи – аденін і гуанін, відносяться до пуринів, а цитозин і тимін – до піримідинів. Для спрощення надалі ці чотири основи позначаються великими літерами А, Ц, Г, і Т. Важливим є те, що в різних нуклеїнових кислотах ці чотири основи розміщені у різній послідовності і, оскільки число основ у кожній молекулі дуже велике, з цих елементів може утворитися нескінченна кількість різних нуклеїнових кислот.

Англійським біохіміком Чаргафом встановлено, що у будь якій молекулі ДНК сума пуринів дорівнює сумі піримідинів, причому кількість аденіну дорівнює тиміну, кількість гуаніну – кількості цитозину, а суми Г + Ц та А + Т можуть значно різнитися. Ці співвідношення одержали назву правил Чаргафа.

Таким чином, було встановлено, що азотисті основи взаємодіють між собою за принципом взаємодоповнення (що має у молекулярній біології назву – комплементарності).

Пуринові та піримідинові азотисті основи, будучи комплементарними за своєю структурою і зарядом, завжди зумовлюють взаємодію аденіну з тиміном, а гуаніну з цитозином. Завдяки хімічній структурі нуклеотидів, між аденіном та тиміном утворюється два водневі зв’язки, а між гуаніном і цитозином – три.

Тобто, якщо аденін з’єднується тільки з тиміном, а гуанін з цитозином, тоді можливі лише чотири варіанти комбінацій: А-Т, або Т-А, Г-Ц або Ц-Г. Проте ці чотири пари основ утворюють величезне число комбінацій, розміщуючись уздовж двох ланцюгів, утворюючих молекулу ДНК. Уотсон вважав, що по довжині такої молекули розміститься не менше 10000 нуклеотидів.

Комплементарна структура ДНК визначає універсальний хімічний механізм збереження і передачі генетичної інформації, оскільки завдяки їй можлива висока точність реплікації.

Таким чином, за даними Чаргафа та результатів рентгеноструктурного аналізу просторової будови молекул нуклеїнових кислот та за Дж. Уотсоном і Ф. Кріком первинну спіраль ДНК можна уявити у вигляді гвинтоподібної мотузкової драбинки так, щоб перекладини її займали горизонтальне положення. Тоді дві повздовжні мотузки будуть відповідати ланцюгам із залишків цукру та фосфату, а перекладини – парам азотистих основ, з’єднаних водневими зв’язками.

У результаті своєї комплементарної будови подвійна нитка здатна точно відтворити себе, при цьому утворюються дві ідентичні подвійні нитки. Ці дві нитки можна порівняти з негативом та відповідним йому позитивом, які повернуті один до одного лицевим боком, або їх можна ще розглядати як дзеркальне відображення один одного. У результаті поділу зазначені позитив і негатив відходять один від одного, після чого негатив може доповнити себе новим позитивом, а позитив – новим негативом, причому це може повторюватися нескінченну кількість разів.

Типи ДНК. За своїми розмірами ДНК вищих і нижчих організмів суттєво розрізняються. ДНК вірусів і фагів мають відносно небагато (від декількох одиниць до декількох десятків або сотень) генів, складаються із декількох тисяч, максимально сотень тисяч нуклеотидних пар. У ДНК бактерій нараховується уже до 10 млн. нуклеотидах пар. У кожній хромосомі вищого організму вміщуються багатоміліонні нуклеотидні пари ДНК, а загалом їх кількість сягає мільярда.

ДНК всіх живих істот в цілому влаштована однаково, проте у різних видів встановлено різне співвідношення молярної суми А+Т до молярної суми Г+Ц. Це співвідношення називають коефіцієнтом видоспецифічності. Видоспецифічність ДНК виражається відсотком, або часткою у ній ГЦ-пар. Ця частка неоднакова у різних видів, але в загальному можна відмітити тенденцію до зменшення числа ГЦ-пар від прокаріот до еукаріот, а в межах останніх – від нижчих до більш високоорганізованих форм.

3. Будова РНК. Функції ДНК і РНК,

транскрипція і трансляція

Реалізація спадкової інформації, записаної в ДНК, здійснюється за участю іншого типу нуклеїнових кислот – РНК. Структура РНК (рибонуклеїнової кислоти) дуже подібна до структури ДНК, але має деякі відмінності: це відсутність подвійної спіралі, заміна тиміну на інший нуклеотид – урацил, а вуглеводу дезоксирибози – на рибозу.

Існує три типи РНК: рибосомальна (рРНК), транспортна (тРНК) та інформаційна (іРНК). Кожен з них виконує певну функцію, і саме їх комплексна взаємодія забезпечує синтез даного білка.

Біосинтез білка починається з транскрипції – процесу переписування інформації з ДНК на іРНК. Інформаційна РНК синтезується за принципом комплементарності за участю ферменту ДНК-залежної-РНК-полімерази. Кількість копій РНК, яку можливо зняти з первинної ділянки ДНК, необмежена. Одержана таким чином іРНК мігрує з ядра в цитоплазму і підходить до рибосоми, де з амінокислот синтезується білок.

Необхідно відмітити, що у роботі присвяченій будові ДНК, Ф. Крік запропонував схему передачі генетичної інформації від гена до молекули білка : ДНК РНК білок. Тобто за його схемою, інформація може на першому етапі бути зворотною (ДНКРНК), на другому етапі можливий перехід тільки в одному напрямку. Це означає, що транскрипція інформації може здійснюватись як з ДНК на РНК, так і навпаки. Пізніше передбачення існування такої транскрипції було експериментально доведено.

Важливе значення у цьому процесі належить транспортній РНК. Така назва характеризує її функцію – доставку амінокислот до рибосом. Кількість типів тРНК у клітині не менше 20, тобто відповідає кількості амінокислот. Молекули тРНК мають ділянку з’ясування (розпізнавання) амінокислоти, а також певну послідовність трьох нуклеотидів – антикодон, який комплементарний відповідному кодону іРНК, що дає можливість визначити місце цієї амінокислоти в поліпептидному ланцюзі.

Процес перенесення інформації, записаної в послідовності нуклеотидів іРНК, в певну послідовність амінокислот, що визначає структуру білка, називається трансляцією. В цьому процесі виділяють три стадії:

1. Активація амінокислот – утворення аміноациладенилатів у результаті взаємодії амінокислот із АТФ під контролем ферменту, специфічного для кожної амінокислоти (аміноацил-тРНК-синтетази).
2. Аміноацетилювання тРНК – приєднання амінокислотних залишків до тРНК за рахунок взаємодії тРНК з комплексом аміноацил-тРНК-синтетеза та аміноациладенилатів. Під час цієї стадії кожна амінокислота приєднується до молекули тРНК, що належить до її специфічного класу.
3. Власне трансляція, або полімеризація амінокислотних залишків у поліпептидні ланцюги.

Утворення білкової молекули на рибосомах поділяють на три процеси: ініціацію, тобто початок синтезу, елонгацію, або подовження поліпептидного ланцюга, та термінацію – закінчення синтезу і відщеплення готового поліпептиду.

Розшифрування матеріальних основ спадковості дозволяє, знаючи яка ділянка ДНК відповідає за певну ознаку, вирізати її і вбудувати в ДНК іншого організму або іншого виду, і таким чином останньому може бути додана корисна ознака. При цьому не тільки додана, а й спадково закріплена. Це є елемент генної інженерії.

Ділянки ДНК виділяють не механічним вирізанням, за допомогою певних ферментів – рестриктаз. Молекула ДНК розрізається в конкретних місцях, відповідні ділянки вирізаються та вбудовуються в ДНК інших організмів. Кінці ДНК, по яких ведеться вбудова, зшиваються за допомогою ферментів (лігаз).

Можливість експериментально маніпулювати не тільки з окремим геном, а й з їх сукупністю – геномом, дозволила експериментально одержувати організми зі заздалегідь заданими властивостями.

4. Генетичний код, його особливості: триплетність,

виродженість, неперекритість, універсальність

Після того, як було вияснено, що генетична інформація втілена у черговості нуклеотидів ДНК, виникла проблема мови, або коду спадкової інформації, а також читання цього генетичного коду, або коду біосинтезу білка. Ряд дослідників (А.Даунс, Г.Гамов, Ф.Крік) у 50-60-ті роки минулого ст, розробили і експериментально підтвердили концепцію генетичного коду. Встановлено, що «літерою» мови спадкової інформації є нуклеотид ДНК або РНК, «словом», три нуклеотиди, які відповідають певній амінокислоті у нитці білка (триплет або кодон), а «фразою» - та кількість триплетів, якій відповідає поліпептидна нитка білка.

Триплетність генетичного коду відкрили американські вчені М.Ніренберг, С.Очоа, А. Коран. Для зашифровки всіх 20 амінокислот білка необхідно, щоб кожна одиниця ДНК, яка кодує окрему амінокислоту (кодон), складалася з трьох нуклеотидів, тобто являла собою триплет.

Варіювання чотирьох нуклеотидів по три дає 64 триплети (43 = 64).

Цими ж вченими встановлено склад триплетів і послідовність нуклеотидів у них для всіх амінокислот. При цьому було зазначено, що код має вироджений характер, який означає здатність для однієї і тієї ж кислоти бути кодованою кількома різними триплетами. Наприклад, є амінокислоти, які мають шість кодонів; п’ять амінокислот, кожна з яких кодується триплетами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ, куди в усіх випадках входять нуклеотиди цитозину та гуаніну. Поряд з тим є амінокислоти, що кодуються трьома, двома і тільки дві – одним триплетом азотистих основ.

Крім того, триплети УАА, УАГ, УГА не кодують амінокислоти, а є своєрідними ”крапками” (стоп-кодонами) в процесі зчитування інформації. Якщо процес синтезу наближається до такої “крапки” в молекулі ДНК, синтез певного поліпептидного ланцюга припиняється. Після “крапки” починає синтезуватися нова молекула білка. Процес зчитування інформації відбувається в одному і тому ж напрямі у межах одного гена, починаючи з певного строго фіксованого нуклеотиду.

Генетичний код характеризується неперекритістю. Цей принцип був доведений дослідженням мутацій, які порушують синтез білків. У випадку перекриття коду зміна в одній парі нуклеотидів неминуче повинна спричинити порушення в трансляції трьох амінокислот, бо у коді, що перехрещується, кожний з нуклеотидів входить до трьох кодонів. Насправді експериментами доведено, що мутації змінюють транслювання тільки однієї амінокислоти, що чітко вказує на неперекритість коду.

Численними дослідженнями встановлена дивовижна універсальність генетичного коду. Він однаково проявляє себе в системах, одержаних з вірусів, бактерій, водоростей та ссавців. Очевидно, він єдиний для всього органічного світу, що є одним із найпереконливіших доказів загального походження всієї живої природи.

5. Ген як елементарна одиниця спадковості

Згадаємо, що в уявленні Г.Менделя одиницею спадковості був фактор, який контролював прояв у домінантному або рецесивному стані однієї ознаки. Надалі поняття про ген в роботах Томаса Моргана свідчили, що ген – це локус (ділянка) хромосоми, який займає у ній певне положення.

У сучасному розумінні ген – це функціональна одиниця молекули ДНК, яка контролює послідовність амінокислот у закодованому поліпептидному ланцюгу, або ділянка ДНК, яка транскрибується.

З цього визначення має виникнути уява, як одна хімічна речовина передає свої “бажання” іншій, під “бажанням” мається на увазі генетична інформація. Вона полягає у тому, що ДНК (або гени) мають здатність спрямовувати по відповідних шляхах хімічні процеси, які протікають у клітинах.

Більш ширше поняття гена – це дискретна одиниця спадковості, за допомогою якої відбувається запис, зберігання і передача генетичної інформації у ряді поколінь. Ген – це відрізок ДНК або РНК (у деяких вірусів), що складається з нуклеотидів, число і взаєморозташування яких визначають специфічність кожного гена.

Ген як функціональну одиницю американський генетик С.Бензер запропонував назвати цистроном. У сучасній генетиці термін цистрон застосовують як синонім поняття “структурний ген”.

Цистрон у свою чергу підрозділяється на гранично малі в лінійному вимірі одиниці – рекони, які здатні до рекомбінацій при кросинговері. Виділяють, крім того поняття мутон – це найменша частина гена, здатна до мінливості (мутації). Розміри рекону та мутону можуть досягати однієї або кількох пар нуклеотидів, цистрону – сотні і тисячі нуклеотидів.

Встановлено, що різні функції гена пов’язані з відрізками ланцюга ДНК різної величини. Крім того, наявність у складній структурі гена, реконів і мутонів, обумовлюють внутрішні процеси мутацій та рекомбінацій. Виявлені також гени, які не контролюють синтез визначених білків, але регулюють цей процес. Таким чином, виникла необхідність роз’єднати гени на дві категорії – структурні та функціональні.

Структурний ген є дискретною цілісною одиницею, він несе інформацію і визначає послідовність синтезу амінокислот у поліпептидному ланцюзі.

Функціональні гени (або регулятори) не несуть такої інформації, вони лише контролюють і регулюють діяльність структурних генів.

6. Властивості гена.

Основні властивості гена – дискретність (цілісність), алельність і постійність.

Дискретність виявляється у характері дії гена, в успадкуванні ознаки, обумовленої даним геном. Він визначає розвиток ознаки чи властивості організму. На молекулярному рівні дискретність виявляється дією ферменту РНК-полімерази, яка впізнає межі гена, у створенні цим ферментом РНК-копії гена і у можливості комплементарного з’єднання такої РНК з ДНК гена.

Алельність гена чітко проявляється при аналізі успадкування ознак у гібридів, коли прояв ознаки залежить від алельного стану гена, тобто його домінантності, рецесивності та іншого стану. Алелі - різні форми того самого гена.

Постійність гена підтверджується стабільністю нуклеїнових кислот, що відображається в стабільності фенотипових показників. Мутації генів, які виникають на певних відрізках часу, не порушують закону про постійність гена, а по суті, підтверджують його, так як нові мутантні форми до чергової рідкісної мутації зберігаються без змін.

Із зальних властивостей гена виникають його специфічні властивості. Так, в специфічності гена реалізується алелізм. Тобто один ген може впливати одночасно на перебіг різних реакцій і розвиток багатьох ознак і властивостей організму, таким чином діяти множинно; це явище має назву плейотропного ефекту гена.

З іншої сторони ген має здатність до об’єднання неалельних генів, тобто сумісному визначенню однієї ознаки кількома генами (це – полімерна, або полігенна дія).

Специфічною властивістю гена є його градуальність, яка виражається в ефекті його дози, тобто нагромадження певної дози гена в соматичних клітинах може призвести до посилення чи послаблення прояву ознак.

Ген характеризується також властивостями модифікувати дію інших генів. Крайня форма такого впливу – здатність до епістатичної дії, або супресії, коли спостерігається повна подавляюча дія другого неалельного гена.

Особливою властивістю гена є здатність деяких алелей викликати загибель організму (летальна дія гена), а також мутації інших генів (мутаційна дія гена).

Молекулярні основи спадковості