Самовоспроизведение генетического материала. Репликация.
Принципы записи генетической информации. Генетический код и его свойства.
Генетический код – свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек в строго определенной последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следоваетльно и его свойства. Набор аминокислот универсален почти для всех живых организмов.
Свойства ген. кода:
Триплетность- сочетание 3-х нуклеотидов
Непрерывность- между триплетами нет знаков препинания, т.е. информация считывается непрерывно
Неперекрываемость- один и тот же нуклеотид не может одновременно входить в состав нескольких триплетов
Специфичность- определенный кодон соответствует только 1 аминокислоте
Вырожденность- одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов
Универсальность- генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности
Помехоустойчивость
В процессе репликации генетического материала водородные связи между азотистыми основаниями разрываются, и из двойной спирали образуется две нити ДНК. Каждая из них становится матрицей для синтеза другой комплементарной нити ДНК. Последняя, через водородную связь, соединяется с матричной ДНК. Итак, любая дочерняя молекула ДНК состоит из одной старой и одной новой полинуклеотидной цепи. В результате дочерние клетки получают такую же генетическую информацию, как и у родительских клеток. Поддержание такой ситуации обеспечивается механизмом самокоррекции, осуществляемым ДНК-полимеразой. Способность генетического материала, ДНК, к самовоспроизведению (репликации) лежит в основе размножения живых организмов, передачи наследственных свойств из поколения в поколение и развития многоклеточного организма из зиготы.
Нескорректированные изменения химической структуры генов, воспроизводимые в последовательных циклах репликации и проявляющиеся у потомства в виде новых вариантов признаков, называются генными мутациями.
Изменения структуры ДНК можно разделить на 3 группы: 1. Замена одних оснований другими.
2. сдвиг рамки считывания при изменении количества нуклеотидных пар в составе гена.
3. изменение порядка нуклеотидных последовательностей в пределах гена.
1. Замена одних оснований другими. Могут возникать случайно или под влиянием конкретных химических агентов. Если измененная форма основания остается незамеченной во время репарации, то при ближайшем цикле репликации она может присоединить к себе другой нуклеотид.
Другой причиной может быть ошибочное включение в синтезируемую цепь ДНК нуклеотида, несущего измененную форму основания или его аналог. Если эта ошибка остается незамеченной во время репарации, то измененное основание включается в процесс репликации что приводит к замене одной пары на другую.
Вследствие образуется новый триплет в ДНК. Если этот триплет кодирует ту же аминокислоту, то изменения не отразятся на структуре пептида (вырожденность генетического кода). Если вновь возникший триплет кодирует другую аминокислоту, изменяется структура пептидной цепи и свойства белка.
2. сдвиг рамки считывания. Эти мутации происходят из-за выпадения (делеция) или вставки в нуклеотидную последовательность ДНК одной или нескольких пар комплементарных нуклеотидов. Причиной может быть воздействие на генетический материал некоторых химических веществ (акридиновых соединений). Большое число мутаций происходит вследствие включения в ДНК подвижных генетических элементов – транспозонов. Так же причиной могут послужить ошибки при рекомбинации при неравноценном внутригенном кроссинговере.
При таких мутациях изменяется смысл биологической информации, записанной в данной ДНК.
3. изменение порядка нуклеотидных последовательностей. Данный тип мутаций происходит вследствие поворота участка ДНК на 180ᵒ (инверсия). Это происходит из-за того что молекула ДНК образует петлю, в пределах которой репликация идет в неправильном направлении. В пределах инвертированного участка нарушается считывание информации и нарушается аминокислотная последовательность белка.
Причины: -неравный кроссинговер между гомологичными хромосомами
Внутрихромосомный кроссинговер
Разрывы хромосом
Разрывы с последующим соединением элементов хромосом
Копирование гена и его перенос в другой участок хромосомы
Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе они свиты вместе, т. е. закручены вправо вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль.
Цепи антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны. Каждая цепь днк состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания; находящиеся друг против друга основания двух противоположных цепей двойной спирали связаны между собой водородными связями.
Сахарофосфатные остовы двух цепей двойной спирали хорошо видны на пространственной модели ДНК. Расстояние между сахарофосфатными остовами двух цепей постоянно и равно расстоянию, занимаемому парой оснований, т. е. одним пурином и одним пиримидином. Два пурина занимали бы слишком много места, а два пиримидина - слишком мало для того,чтобы заполнить промежутки между двумя цепями.
Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, чем и объясняется обнаруженная на рентгенограммах периодичность. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, т. е. на 10 пар оснований. Никаких ограничений относительно последовательности нук-леотидов в одной цепи не существует, но в силу правила спаривания оснований эта последовательность в одной цепи определяет собой последовательность нуклеотидов в другой цепи. Поэтому мы говорим, что две цепи двойной спирали комплементарны друг другу.
Уотсон и Крик опубликовали сообщение о своей модели ДНК в журнале « » в 1953 г., а в 1962 г. они вместе с Морисом Уилкинсом были удостоены за эту работу Нобелевской премии. В том же году получили Нобелевскую примию Кендрью и Перуц за свои работы по определению трехмерной структуры белков, также выполненные методом рентгеноструктурного анализа. Розалинду Франклин, умершую от рака ранее присуждения этих премий, не включили в число лауреатов, поскольку Нобелевская премия посмертно не присуждается.
Для того чтобы признать предложенную структуру генетическим материалом, требовалось показать, что она способна: 1) нести в себе закодированную информацию и 2) точно воспроизводиться (реплицироваться). Уотсон и Крик отдавали себе отчет в том, что их модель удовлетворяет этим требованиям. В конце своей первой статьи они сдержанно отметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами специфическое спаривание оснований сразу же позволяет постулировать и возможный механизм копирования для генетического материала».
Во второй статье, опубликованной втом же 1953 г., они обсудили выводы, которые следовали из их модели, в генетическом плане. Это открытие, показавшее, сколь явно структура может быть связана с функцией уже на молекулярном уровне, дало мощный толчок развитию молекулярной биологии.
МОСКВА, 25 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки — молекулярной биологии. Это открытие изменило очень многое в жизни человечества. РИА Новости рассказывает о свойствах молекулы ДНК и о том, почему она так важна.
Во второй половине XIX века биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, хотя и были уже сформулированы Грегором Менделем, не получили широкого признания.
Весной 1868 года молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в Университет города Тюбингена (Германия), чтобы заняться научной работой. Он намеревался узнать, из каких веществ состоит клетка. Для экспериментов выбрал лейкоциты, которые легко получить из гноя.
Отделяя ядро от протоплазмы, белков и жиров, Мишер обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Он назвал эту молекулу нуклеином ("нуклеус" на латыни — ядро).
Это соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин "нуклеиновая кислота". Его приставка "дезоксирибо" означает, что молекула содержит H-группы и сахара. Потом выяснилось, что на самом деле это соль, но название менять не стали.
В начале XX века ученые уже знали, что нуклеин представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), звенья сложены четырьмя азотистыми основаниями (аденином, тимином, гуанином и цитозином), а нуклеин содержится в хромосомах — компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках. Их способность передавать наследственные признаки продемонстрировал американский генетик Томас Морган в опытах на дрозофилах.
Модель, объяснившая гены
А вот что делает в ядре клетки дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, долго не понимали. Считалось, что она играет какую-то структурную роль в хромосомах. Единицам наследственности — генам — приписывали белковую природу. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери, опытным путем доказавший, что генетический материал передается от бактерии к бактерии посредством ДНК.
Стало ясно, что ДНК нужно изучать. Но как? В то время ученым был доступен только рентген. Чтобы просвечивать им биологические молекулы, их приходилось кристаллизовать, а это сложно. Расшифровкой структуры белковых молекул по рентгенограммам занимались в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Работавшие там молодые исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик не располагали собственными экспериментальными данными по ДНК, поэтому они воспользовались рентгенограммами коллег из Королевского колледжа Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин.
Уотсон и Крик предложили модель структуры ДНК, точно соответствующую рентгенограммам: две параллельные цепочки закручены в правую спираль. Каждая цепочка складывается произвольным набором азотистых оснований, нанизанных на остов их сахаров и фосфатов, и удерживается водородными связями, протянутыми между основаниями. Причем аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Это правило называют принципом комплементарности.
Модель Уотсона и Крика объясняла четыре главных функции ДНК: репликацию генетического материала, его специфику, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.
Ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Через десять лет им вместе с Морисом Уилкинсом присудили Нобелевскую премию по биологии (Розалинда Франклин скончалась в 1958 году от рака в возрасте 37 лет).
"Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии", — пишет Максим Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, исследователь ДНК, автор книги "Самая главная молекула".
Генетический код
Теперь оставалось узнать, как эта молекула действует. Было известно, что ДНК содержит инструкции для синтеза клеточных белков, которые выполняют всю работу в клетке. Белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) аминокислот. Причем аминокислот — всего двадцать. Виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Генетика утверждала, что эти последовательности задаются генами, которые, как тогда считали, служат первокирпичиками жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.
Ясность внес автор теории Большого взрыва физик Георгий Гамов, сотрудник Университета Джорджа Вашингтона (США). Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген — это участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев — нуклеотидов. Поскольку каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований, то нужно просто выяснить, как четыре элемента кодируют двадцать. В этом состояла идея генетического кода.
К началу 1960-х установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах — своего рода "фабриках" внутри клетки. Чтобы приступить к синтезу белка, к ДНК приближается фермент, распознает определенный участок в начале гена, синтезирует копию гена в виде маленькой РНК (ее называют матричной), затем уже в рибосоме из аминокислот выращивается белок.
Выяснили также, что генетический код — трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода назвали кодоном. В рибосоме информация с мРНК считывается кодон за кодоном, последовательно. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как же выглядит шифр?
На этот вопрос ответили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые доложили свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.
Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические исследования. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил сильно продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.
По своему химическому строению ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота ) является биополимером , мономерами которого являются нуклеотиды . То есть ДНК - это полинуклеотид . Причем молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, закрученных друг относительно друга по винтовой линии (часто говорят «спирально закрученных») и соединенных между собой водородными связями.
Цепочки могут быть закручены как в левую, так и в правую (чаще всего) сторону.
У некоторых вирусов ДНК состоит из одной цепи.
Каждый нуклеотид ДНК состоит из 1) азотистого основания, 2) дезоксирибозы, 3) остатка фосфорной кислоты.
Двойная правозакрученная спираль ДНК
В состав ДНК входят следующие: аденин , гуанин , тимин и цитозин . Аденин и гуанин относятся к пуринам , а тимин и цитозин - к пиримидинам . Иногда в состав ДНК входит урацил, который обычно характерен для РНК , где замещает тимин.
Азотистые основания одной цепи молекулы ДНК соединяются с азотистыми основаниями другой строго по принципу комплементарности: аденин только с тимином (образуют между собой две водородные связи), а гуанин только с цитозином (три связи).
Азотистое основание в самом нуклеотиде соединено с первым атомом углерода циклической формы дезоксирибозы , которая является пентозой (углеводом с пятью атомами углерода). Связь является ковалентной, гликозидной (C-N). В отличие от рибозы у дезоксирибозы отсутствует одна из гидроксильных групп. Кольцо дезоксирибозы формируют четыре атома углерода и один атом кислорода. Пятый атом углерода находится вне кольца и соединен через атом кислорода с остатком фосфорной кислоты. Также через атом кислорода у третьего атома углерода присоединяется остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида.
Таким образом, в одной цепи ДНК соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями между дезоксирибозой и фосфорной кислотой (фосфодиэфирная связь). Образуется фосфат-дезоксирибозный остов. Перпендикулярно ему, навстречу другой цепочке ДНК, направлены азотистые основания, которые соединяются с основаниями второй цепочки водородными связями.
Строение ДНК таково, что остовы соединенных водородными связями цепочек направлены в разные стороны (говорят «разнонаправлены», «антипараллельны»). С той стороны, где одна заканчивается фосфорной кислотой, соединенной с пятым атомом углерода дезоксирибозы, другая заканчивается «свободным» третьим атомом углерода. То есть остов одной цепочки перевернут как бы с ног на голову относительно другой. Таким образом, в строении цепочек ДНК различают 5"-концы и 3"-концы.
При репликации (удвоении) ДНК синтез новых цепочек всегда идет от их 5-го конца к третьему, так как новые нуклеотиды могут присоединяться только к свободному третьему концу.
В конечном итоге (опосредованно через РНК) каждые идущие подряд три нуклеотида в цепи ДНК кодируют одну аминокислоту белка.
Открытие строения молекулы ДНК произошло в 1953 году благодаря работам Ф. Крика и Д. Уотсона (чему также способствовали ранние работы других ученых). Хотя как химическое вещество ДНК было известно еще в XIX веке. В 40-х годах XX века стало ясно, что именно ДНК является носителем генетической информации.
Двойная спираль считается вторичной структурой молекулы ДНК. У клетках эукариот подавляющее количество ДНК находится в хромосомах , где связана с белками и другими веществами, а также подвергается более плотной упаковке.
Хромосомы. Указать, что хромосомы состоят из ДНК, которая окружена белками двух типов: гистоновыми (основными) и негистоновыми (кислыми) . Отметить, что хромосомы могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: спирализованном и деспирализованном. Знать, какое из этих двух состояний хромосомы является рабочим и что это означает. Указать, в какой период жизни клетки хромосомы спирализованы и хорошо видны под микроскопом. Знать строение хромосомы, виды хромосом, которые различаются по месту расположения первичной перетяжки.
Организмы большинства живых существ имеют клеточное строение. В процессе эволюции органического мира в качестве элементарной системы, в которой возможно проявление всех закономерностей живого, была отобрана клетка. Организмы, имеющие клеточное строение, делятся на доядерные, не имеющие типичного ядра (или прокариоты) , в обладающие типичным ядром (или эукариоты) . Указать, какие организмы относятся к прокариотам, какие к эукариотам.
Для понимания организации биологической системы необходимо знать молекулярный состав клетки. По содержанию элементы, входящие в состав клетки, делятся на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Привести примеры элементов, входящих в состав каждой группы, охарактеризовать роль основных неорганических составляющих в жизнедеятельности клетки. Химические компоненты живого делятся на неорганические (вода, минеральные соли) и органические (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты) . За небольшим исключением (кость и эмаль зубов) вода является преобладающим компонентом клеток. Знать свойства воды, в каких формах вода находится в клетке, охарактеризовать биологическое значение воды. По содержанию из органических веществ в клетке первое место занимают белки. Охарактеризовать состав белков, пространственную организацию белков (первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры) , роль белков в организме. Углеводы делятся на 3 класса: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Знать химический состав и критерии классификации углеводов. Привести примеры важнейших представителей класса и охарактеризовать их роль в жизнедеятельности клетки. Наибольшим химическим разнообразием характеризуются липиды. Термин "липиды" объединяет жиры и жироподобные вещества - липоиды. Жиры - это сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта. Знать химический состав липидов и липоидов. Подчеркнуть основные функции: трофическую, энергетическую, а также другие функции, которые необходимо охарактеризовать. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, используется для работы в клетках не сразу, а сначала запасается в форме высокоэнергетического промежуточного соединения - аденозинтрифосфата (АТФ) . Знать химический состав АТФ. Раскрыть, что представляет собой соединения АМФ и АДФ. Раскрыть понятие "макроэргическая связь". Указать, при каких процессах образуется АДФ и АМФ, и каким образом происходит образование АТФ, какова энергетическая ценность этих процессов. Привести примеры физиологических процессов, требующих больших затрат энергии.