В ядре носителями наследственной информации являются. ДНК – носитель наследсвенной нформации

2.1.1. Днк - носитель наследственной информации

«Значение ДНК столь велико, что никакое знание о ней не будет полным». Ф.Крик.

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота - биологическая макромолекула, носитель генети­ческой информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах.

В 1928 г. Ф.Гриффит обнаружил у пневмо­кокков явление трансформации (преобразование свойств бактерий). Он показал, что клетки неви­рулентных штаммов бактерий (шероховатые без капсул) приобретают свойства вирулентных (глад­ких с капсулами) штаммов, убитых нагреванием. Природа трансформирующего агента была уста­новлена Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти в 1944 г., им оказалась ДНК. Так открытие и изучение трансформации доказало роль ДНК как материального носителя наследственной информации, (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Трансформирующий фактор - это ДНК-

Трехмерная модель пространственного строе­ния двухцепочечной ДНК была описана в апрель­ском журнале Nature в 1953 г. Дж. Уотсоном, Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом. Эти исследования легли в основу молекулярной био­логии, изучающей основные свойства и проявле­ния жизни на молекулярном уровне.

Структура ДНК - полимер, структурной еди­ницей которого является нуклеотид (рис. 2.2).

Нуклеотид состоит из азотистого основания пу-ринового: аденин (А) или гуанин (Г) или пирими-динового: цитозин (Ц) или тимин (Т), углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо) и остатка фосфорной кислоты (НРО~). Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360°, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 граду­сов вокруг спирали относительно следующей пары. Фосфатные группировки находятся снаружи спи­ралей, а основания - внутри и расположены с интервалом 34 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и за­кручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

Рис. 2.2. Строение ДНК.

В разработке модели ДНК важную роль сыг­рали наблюдения Чаргаффа (1949) о том, что ко­личественные отношения гаунина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина со­ответствует содержанию тимина. Это положение было названо «правило Чаргаффа»:

т.е. пропорция пуриновых и пиримидиновых осно­ваний всегда равная.

Чаргаффом для характеристики нуклеотидного состава ДНК был предложен коэффициент спе­цифичности, учитывающий долю гуанин-цитозиновых пар:

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5" положения одного пентозного конца и 3" положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5-3" связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5" конца к 3" концу - такая нить называется смысловой ДНК, здесь рас­положены гены. Вторая нить направления 3-5" счи­тается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая нить играет большую роль в про­цессах репликации и репарации (восстановление структуры поврежденной ДНК). Основания в анти­параллельных нитях образуют за счет водородных связей комплементарные пары: А+Т; Г+Ц. Таким образом, структура одной нити определяет после­довательность нуклеотидов другой нити. Следова­тельно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.

Принцип комплементарности универсален для процессов репликации и транскрипции.

В настоящее время описаны несколько модификаций молекулы ДНК.

Полиморфизм ДНК -

это способность молекулы принимать различные конфигурации. В настоящее время описано 6 форм, часть которых может существовать только in vitro (в пробирке):

В-форма - имеет стандартную структуру, прак­тически соответствующую модели ДНК, которая была предложена Уотсоном, Криком и Уилкинсом, в физиологических условиях (низкая концен­трация солей, высокая степень гидратации) явля­ется доминирующим структурным типом.

А-форма - обнаружена в более обезвожен­ных средах и при более высоком содержании ионов калия и натрия. Интересна с биологической точки зрения, т.к. ее информация близка к структуре двухцепочечных ДНК, или для ДНК-РНК дуплексов.

С-форма - имеет меньше форм оснований на виток, чем В-форма. В этих трех формах могут находиться все ДНК независимо от нуклеотидной последовательности. Следующие формы характер­ны только для молекул ДНК с определенными последовательностями в парах оснований.

D - и Е-форма - возможны крайние варианты одной и той же формы, имеют наименьшее число пар оснований на виток (8 и 7.5). Обнаружены толь­ко в молекулах ДНК, не содержащих гуанина.

Z -форма - это зигзагообразная форма, с че­редованием лево- и правоспиральности. Эта фор­ма выявляется при наличии ряда факторов: высо­кая концентрация солей и наличие специфических катионов; высокое содержание отрицательных су­первитков в молекуле ДНК и других Z-ДНК встре­чается на участках, обогащенных парами Г-Ц. Показано, что Z-форма ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов как близко расположенных, так и существенно удаленных от Z-учас-тков, а также играть существенную роль в про­цессах рекомбинации.

Шотландский ученый Арнотт предположил: «Было бы удивительно, если бы в живой природе никак не использовалась эта способность ДНК - менять свою форму».

Некоторые из форм могут при определенных условиях, связанных с изменениями концентрации солей и степени гидратации, переходить друг в друга, например, А <-> В; а также Z <-> В. Пред­полагают, что взаимные переходы А- и В-форм регулируют работу генов. Показательно, что в ДНК человека имеются участки, потенциально способные переходить в Z-форму, которые диспер­гированы в геноме человека.

Предполагается, что в клетках человека сущес­твуют условия, стабилизирующие Z-форму (Марри и др., 1993).

Таблица 2.1 Структурные свойства некоторых типов ДНК

Знание структуры и функции ДНК необходи­мо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матри­цы при синтезе белков из аминокислот, т.к. почти вся она находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как большинство, если не все, клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Та­ким образом, генетическая информация, заклю- -ченная в ДНК, должна передаваться какой-то про­межуточной молекуле, которая транспортирова­лась бы в цитоплазму и участвовала в синтезе полипептидных цепей. Предположение о том, что такой промежуточной молекулой может быть РНК, стало всерьез рассматриваться сразу, как только была открыта структура двойной спирали ДНК. Во-первых, клетки, синтезирующие большое количество белка, содержали много РНК. Во-вто­рых, еще более важным казалось то, что сахарофос-фатные «скелеты» ДНК и РНК чрезвычайно сход­ны и было бы легко представить себе, как происхо­дит синтез одиночных цепей РНК на одноцепочеч-ной ДНК с образованием нестабильных гибрид­ных молекул, одна цепь которых представлена ДНК, а другая РНК. Взаимоотношения ДНК, РНК и белка в 1953 г. были представлены в виде следующей схемы:

репликация ДНК..... транскрипция - ----- > РНК... трансляция......-> белок,

где одиночные цепи ДНК служат матрицами при синтезе комплементарных молекул ДНК (репли­кация). В свою очередь, молекулы РНК служат матрицами для последовательного соединения аминокислот с образованием полипептидных це­пей белков в процессе трансляции, названном так потому, что «текст», написанный на «языке» нуклеотидов, переводится (транслируется) на «язык» аминокислот. Группа нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – материальный носитель генетической информации. Это высокомолекулярное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом. Гистоны входят в состав ядер клеток и участвуют в поддержании и изменении структуры хромосом на разных стадиях клеточного цикла, в регуляции активности генов. Отдельные участки молекул ДНК соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль (рис. 7.1). Цепи построены из большого числа мономеров четырех типов – нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из четырех азотистых оснований:аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Сочетатание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК образуют генетический код. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Рис. 7.1. Структура молекулы ДНК.

Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916). Модель Уотсона–Крика позволила объяснить многие свойства и биологические функции молекулы ДНК. За расшифровку генетического кода Дж. Уотсон, Ф. Крик и английский биофизик М. Уилкинс (р. 1916), впервые получивший высококачественную рентгенограмму молекулы ДНК, удостоены Нобелевской премии 1962 г.

ДНК – это удивительное природное образование со спиральной симметрией. Длинные переплетенные нити цепочечной структуры ДНК состоят из молекул сахара и фосфатов. К молекулам сахара присоединяются азотистые основания, образуя поперечные связи между двумя спиральными нитями. Вытянутая молекула ДНК напоминает деформированную винтообразную лестницу. Это действительно макромолекула: ее молекулярная масса может достигать 10 9 . Несмотря на сложное строение, молекула ДНК содержит лишь четыре азотистых основания: A,T,C,G. Между аденином и тимином образуются водородные связи. Они настолько структурно соответствуют друг другу, что аденин распознает тимин и связывается с ним, и наоборот. Цитозин и гуанин – еще одна пара аналогичного типа. В данных нуклеотидных парах таким образом А всегда связывается с Т, а С с G (рис. 7.2). Такая связь соответствует принципу комплиментарности. Число базовых пар: аденин–тимин и цитозин–гуанин, например, у человека грандиозно: одни исследователи считают, что их 3 млрд., а другие – более 3,5 млрд.

Способность азотистых оснований к распознаванию своего партнера приводит к свертыванию сахарофосфатных цепей в виде двойной спирали, структура которой экспериментально определена в результате рентгеновских наблюдений. Взаимодействия между азотистыми основаниями в высшей степени специфичны, поэтому спираль может сформироваться лишь в том случае, если последовательности оснований в обеих цепях полностью идентичны.

Сахарофосфатную группу вместе с одним из азотистых оснований А, Т, С или G, образующую нуклеотид (рис.7.3), можно представить в виде своеобразного строительного блока. Из таких блоков и состоит молекула ДНК. С помощью последовательности нуклеотидов кодируется информация в молекуле ДНК. В ней содержится информация, необходимая, например, для производства белков, нужных живому организму.

Молекула ДНК может копироваться в процессе катализируемой ферментами репликации , заключающейся в ее удвоении. При репликации происходит разрыв водородных связей с образованием одинарных цепей, служащих в качестве матрицы при ферментативном синтезе таких же последовательностей строительных блоков. Процесс репликации включает, таким образом, разрыв старых и формирование новых водородных связей. В начале репликации две противоположные цепи начинают раскручиваться и отделяться одна от другой (рис.7.4). В точке раскручивания фермент пристраивает новые цепи к двум старым по принципу комплиментарности: Т в новой цепи располагается против А в старой и т. д., в результате образуются две идентичные двойные спирали. Вследствие относительной непрочности таких связей репликация происходит без нарушения более сильных ковалентных связей в сахарофосфатных цепях. Кодирование генетической информации и репликация молекулы ДНК – взаимосвязанные важнейшие процессы, необходимые для развития живого организма.

Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов ДНК. Основополагающие работы по расшифровке генетического кода провели американские биохимики М. Ниренберг (р. 1927), X. Корана (р. 1922) и Р. Холли (р. 1922); лауреаты Нобелевской премии 1968 г. Три последовательных нуклеотида составляют единицу генетического кода, называемую кодоном. Каждый кодон кодирует ту или иную аминокислоту, общее число которых равно 20. Молекулу ДНК можно представить в виде последовательности букв-нуклеотидов, образующих текст из большого их числа, например, АСАТ-TGGAG... В таком тексте и содержится информация, определяющая специфику каждого организма: человека, дельфина и т. д. Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Например, кодон GGU во всех организмах кодирует аминокислоту глицин. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Генетическая информация закодирована в ДНК. Генетический код был выяснен М. Ниренбергом и Х.Г. Корана, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1968 году.

Генетический код - система расположения нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот, контролирующая последовательность расположения аминокислот в молекуле полипептида.

Основные постулаты кода :

1) Генетический код триплетен. Триплет и-РНК получил название кодона. Кодон шифрует одну аминокислоту.

2) Генетический код является вырожденным. Одна аминокислота шифруется, более чем один кодоном (от 2 до 6). Исключения составляют метиониновый и триптофановый (АУГ, ГУГ). В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида чаще всего одинаковы, а третий варьирует.

3) Кодоны не перекрываются. Нуклеотидная последовательность считывается в одном направлении подряд, триплет за триплетом.

4) Код однозначен. Кодон шифрует определенную аминокислоту.

5) АУГ является стартовым кодоном.

6) Внутри гена нет знаков препинания - стоп кодонов: УАГ, УАА, УГА.

7) Генетический код универсален, он един для всех организмов и вирусов.

Раскрытие структура ДНК, материального носителя наследственности способствовало решению многих вопросов: воспроизведение генов, природы мутаций, биосинтез белка и т.д.

Механизм передачи генетического кода способствовал развитию молекулярной биологии, а так же генной инженерии, генной терапии.

ДНК находится в ядре и входит в состав хроматина, а также митохондрии, центросомы, пластиды, а РНК - в ядрышках, матриксе цитоплазмы, рибосомах.

Носителем наследственной информации в клетке является ДНК, а РНК - служит для передачи и реализации генетической информации у про- и эукариот. С помощью и-РНК происходит процесс перевода последовательности нуклеотидов ДНК в полипептид.

У некоторых организмов, кроме ДНК, носителем наследственной информации может быть РНК, например, у вирусов табачной мозаики, полиомиелита, СПИДа.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Установлено, что в хромосомах эукариот гигантская двуспиральная молекула ДНК образована 4 типами нуклеотидов: адениловый, гуаниловый, тимидиловый, цитозиловый. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (пуринового Г+А или пиримидинового Ц+Т), дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

Анализируя ДНК разного происхождения, Чаргафф сформулировал закономерности количественного соотношения азотистых оснований - правила Чаргаффа.

а) количество аденина равно количеству тимина (А=Т);

б) количество гуанина равно количеству цитозина (Г=Ц);

в) количество пуринов равно количеству пиримидинов (Г+А = Ц+Т);

г) количество оснований с 6-аминогруппами равно количеству оснований с 6-кетогруппами (А+Ц = Г+Т).

В то же время соотношение оснований А+Т\Г+Ц является строго видоспецифичным коэффициентом (для человека - 0,66; мыши - 0,81; бактерии - 0,41).

В 1953 году биологом Дж.Уотсоном и физиком Ф.Криком была предложена пространственная молекулярная модель ДНК.

Основные постулаты модели заключаются в следующем:

1. Каждая молекула ДНК состоит из двух длинных антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль, закрученную вокруг центральной оси (правозакрученная - В-форма, левозакрученная - Z-форма, обнаруженная А. Ричем в конце 70-х годов).

2. Каждый нуклеозид (пентоза + азотистое основание) расположен в плоскости, перпендикулярной оси спирали.

3. Две полинуклеотидные цепи скреплены водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями.

4. Спаривание азотистых оснований строго специфично, пуриновые основания соединяются только с пиримидиновыми: А-Т, Г-Ц.

5. Последовательность оснований одной цепи может значительно варьировать, но азотистые основания другой цепи должны быть строго комплементарны им.

Полинуклеотидные цепи образуются за счет ковалентных связей между соседними нуклеотидами через остаток фосфорной кислоты, который соединяет углерод в пятом положении сахара с третьим углеродом соседнего нуклеотида. Цепи имеют направленность: начало цепи 3 " ОН – в третьем положении углерода дезоксирибозы присоединяется гидроксильная группа ОН, конец цепи - 5 " Ф, к пятому углероду дезоксирибозы присоединяется остаток фосфорной кислоты.

Аутосинтетической функцией ДНК является репликация – авторепродукции. Репликация основана на принципах полуконсервативности, антипараллельности, комплементарности и прерывистости. Наследственная информация ДНК реализуется в результате репликации по типу матричного синтеза. Он протекает в по стадиям: связывание, инициация, элонгация, терминация. Процесс приурочен к S-периоду интерфазы. Фермент ДНК-полимераза использует в качестве матрицы одноцепочечную ДНК и в присутствии 4-х нуклеотидов, затравки (РНК) строит вторую цепь ДНК.

Синтез ДНК осуществляется по принципу комплементарности. Между нуклеотидами цепи ДНК образуется фосфодиэфирные связи за счет соединений 3 " ОН группы самого последнего нуклеотида с 5 " -фосфатом следующего нуклеотида, который должен присоединиться к цепи.

Различают три основных вида репликации ДНК: консервативный, полуконсервативный, дисперсный.

Консервативный - сохранность целостности исходной двуцепочечной молекулы и синтез дочерней двуцепочной. Половина дочерних молекул построена полностью из нового материала, а половина - из старого материнского.

Полуконсервативный – Синтез ДНК начинается с присоединения к точке начала репликации фермента хеликазы, который расплетает участки ДНК. К каждой из цепей присоединяется ДНК связывающей белок (ДСБ), препятствующей их соединению. Единицей репликации является репликон – это участок между двумя точками начала синтеза дочерних цепей. Взаимодействие ферментов с точкой начала репликации называется инициацией. Эта точка движется вдоль цепи (3 " ОН→ 5 " Ф) и образуется репликативная вилка.

Синтез новой цепи идет прерывисто с образованием фрагментов длиной 700-800-2000 нуклеотидных остатков. Имеется точка начала и конца репликации. Репликон движется вдоль молекулы ДНК и расплетаются ее новые участки. Каждая из материнских цепей является матрицей для дочерней, которая синтезируется по принципу комплементарности. В результате последовательных соединений нуклеотидов цепь ДНК удлиняется (стадия элонгации) с помощью фермента ДНК-лигаза. При достижении нужной длины молекулы синтез прекращается - терминация. У эукариот работает сразу тысячи репликативных вилок. У прокариот - инициация происходит в одной точке кольца ДНК, при этом две репликативные вилки двигаются в 2-х направлениях. В месте их встречи двух цепочечные молекулы ДНК разъединяются.

Дисперсный - распад ДНК на нуклеотидные фрагменты, новая двуцепочечная ДНК состоит из спонтанно набранных новых и родительских фрагментов.

ДНК эукариот по структуре похоже на ДНК прокариот. Различия касаются: количества ДНК по генам, длиной молекулы ДНК, порядком чередования нуклеотидных последовательностей, формой укладки (у эукариот - линейная, у прокариот – кольцевая).

Для эукариот характерна избыточность ДНК: кол-во ее ДНК, участвующее в кодировании, составляет только 2%. Часть избыточной ДНК представлена одинаковыми наборами нуклеотидов, повторяющимися много раз (повторы). Различают многократно и умеренно повторяющиеся последовательности. Они образуют конститутивный гетерохроматин (структурный). Он встроен между уникальными последовательностями. Избыточные гены имеют 10 4 копий.

Метафазная хромосома (спирализованный хроматин) состоит из двух хроматид. Форма определяется наличием первичной перетяжки - центромеры. Она разделяет хромосому на 2 плеча.

Расположение центромеры определяет основные формы хромосом:

Метацентрические,

Субметацентрические,

Акроцентрические,

Телоцентрические.

Степень спирализации хромосом не одинакова. Участки хромосом со слабой спирализацией называют эухроматиновыми. Это зона высокой метаболической активности, где ДНК состоит из уникальных последовательностей. Зона с сильной спирализацией - гетерохроматиновый участок, способный к транскрипции. Различают конститутивный гетерохроматин-генетический инертный, не содержит генов, не переходит в эухроматин, а так же факультативный , который может переходить в активный эухроматин. Концевые отделы дистальных участков хромосом называют теломеры.

Хромосомы подразделяются на аутосомы (соматических клеток) и гетерохромосомы (половых клеток).

По предложению Левитского (1924) диплоидный набор соматических хромосом клетки был назван кариотипом. Он характеризуется числом, формой, размерами хромосом. Для описания хромосом кариотипа по предложению С.Г. Навашина их располагают в виде идиограммы - систематизированного кариотипа. В 1960 году была предложена Денверская международная классификация хромосом, где хромосомы классифицированы по величине и расположению центромеры. В кариотипе соматической клетки человека различают 22 пары аутосом и пару половых хромосом. Набор хромосом в соматических клетках называют диплоидным , а в половых клетках - гаплоидным (он равен половине набора аутосом). В идиограмме кариотипа человека хромосомы делят на 7 групп, в зависимости от их размеров и формы.

1 - 1-3 крупные метацентрические.

2 - 4-5 крупные субметацентрические.

3 - 6-12 и Х-хромосома средние метацентрические.

4 - 13-15 средние акроцентрические.

5 - 16-18 относительно малые мета-субметацентрические.

6 - 19-20 малые метацентрические.

7 - 21-22 и Y-хромосома наиболее малые акроцентрические.

Согласно Парижской классификации хромосомы разделены на группы по их размерам и форме, а также линейной дифференцировке.

Хромосомы обладают следующими свойствами (правила хромосом):

1. Индивидуальности - отличия негомологичных хромосом.

2. Парности.

3. Постоянством числа - характерным для каждого вида.

4. Непрерывности - способности к репродукции.

План занятия

• Хромосома - самовоспроизводящийся структурный элемент ядра клетки, содержащий ДНК, в которой заключена генетическая (наследственная) информация.
• Число, размер и форма хромосом строго определены и специфичны для каждого вида. Каждая хромосома состоит из одной или нескольких пар хромонем.
• Различают гомологичные

и негомологичные хромосомы

Краткая характеристика

• Впервые хромосомы были описаны в 80-х гг. 19 в. в виде компактных телец палочковидной формы, выявляемых под микроскопом в ядре на определенной стадии деления клетки.
• Позже оказалось, что X. постоянно имеются в каждой клетке, однако их внешний вид значительно изменяется на разных стадиях жизни клетки.
• Установлено, что хромосомы представляют собой нитевидную структуру огромной длины (хроматиновая нить), которая может закручиваться, образуя компактную спираль (спирализовываться), или раскручиваться (деспирализовываться). Плотная спирализация осуществляется перед началом деления клеток и обеспечивает точное перераспределение X. по дочерним клеткам.
• На стадии митотического деления хромосомы становятся видимыми в световом микроскопе. У них можно заметить участок, называемый центромерой, к которому прикрепляются особые нити (нити веретена), участвующие в «растягивании» хромосом во время деления клеток.
• Центромера располагается в центре X., деля ее на два равных плеча, или же может сдвигаться к одному из концов. В последнем случае говорят, что данная X. неравноплеча.
• Как показывают последние достижения молекулярной генетики, хромосома представляет собой фактически одну длинную хроматиновую нить, образованную гигантской молекулой ДНК

Число хромосом у разных видов

• Число хромосом во всех клетках каждого вида организмов строго постоянно и является точной характеристикой данного вида

• Человек (Homo sapiens) 46
• Горилла 48
• Макака (Macaca mulatta) 42

• Животные
• Кошка (Felis domesticus) 38
• Собака (Canis familiaris) 78
• Лошадь 64
• Корова (Bovis domesticus) 120
• Курица (Gallus domesticus) 78
• Свинья 40
• Плодовая мушка (D.melanogaster) 8
• Мышь (Mus musculus) 40
• Дрожжи (S.cerevisiae) 32
• Нематода 22/24
• Крыса 42
• Лиса 34
• Голубь 16
• Карп 104
• Минога 174
• Лягушка (Rana pipiens) 26
• Миксомицеты 14
• Бабочка 380
• Шелкопряд 56
• Протей (Necturus maculosis) 38
• Рак (Cambarus clarkii) 200
• Гидра 30
• Аскарида 2
• Пчела 16
• Муравей (Myrmecia pilosula) 2
• Виноградная улитка 24
• Земляной червь 36
• Речной рак 1 16
• Малярийный плазмодий 2
• Радиолярия 1600

• Растения
• Клевер 14
• Тополь 38
• Кукуруза (Zea mays) 20
• Горох 14
• Береза 84
• Ель 24
• Лук (Allium cepa) 16
• Арабидопсис (Arabidopsis thaliana) 10
• Картошка (S.tuberosum) 48
• Лилия 24
• Хвощ полевой 216

• Крыжовник 16
• Вишня 32
• Рожь 14
• Пшеница 42
• Папоротник ~1200
• Липа сердцевидная 78
• Ирис русский 80
• Гладиолус обыкновенный 80
• Клевер паннонский 84
• Полушник озерный 90-180
• Крупка альпийская 96-180
• Листовик японский 104
• Щитовник мужской 110
• Баранец обыкновенный 144
• Ужовник обыкновенный 164
• Гаплопаппус 4
• Арабидопсис Таля 6

• Наименьшее число хромосом у самки подвида муровьев Myrmecia pilosula имеют пару хромосом на клетку. Самцы имеют только 1 хросому в каждой клетке.
• Наибольшее число: вид папоротников Ophioglossum reticulatum имеет около 630 пар хромосом, или 1260 хромосом на клетку
• Верхний предел числа хромосом не зависит от количества ДНК которое в них входит: у американской амфибии Amphiuma ДНК в ~30 раз больше, чем у человека, которая помещается в 14 хромосомах

Бактериальные хромосомы

• Прокариоты (архебактерии и бактерии, в том числе митохондрии и пластиды, постоянно обитающие в клетках большинства эукариот) не имеют хромосом в собственном смысле этого слова.
• У большинства из них в клетке имеется только одна макромолекула ДНК, замкнутая в кольцо (эта структура получила название нуклеоид). У ряда бактерий обнаружены линейные макромолекулы ДНК. Помимо нуклеоида или линейных макромолекул, ДНК может присутствовать в цитоплазме прокариотных клеток в виде небольших замкнутых в кольцо молекул ДНК, так называемых плазмид, содержащих обычно незначительное, по сравнению с бактериальной хромосомой, число генов. Состав плазмид может быть непостоянен, бактерии могут обмениваться плазмидами в ходе парасексуального процесса.
• Имеются данные о наличии у бактерий белков, связанных с ДНК нуклеоида, но гистонов у них не обнаружено.

Хромосомы эукариот

• Хромосомы эукариот имеют сложное строение. Основу хромосомы составляет линейная макромолекула ДНК (в молекулах ДНК хромосом человека насчитывается от 50 до 245 миллионов пар азотистых оснований). В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см. Помимо нее, в состав хромосомы входят пять специализированных белков гистонов - H1, H2A, H2B, H3 и H4 и ряд негистоновых белков
• В интерфазе хроматин не конденсирован, но и в это время его нити представляют собой комплекс из ДНК и белков
• В ранней интерфазе (фаза G1) основу каждой из будущих хромосом составляет одна молекула ДНК. В фазе синтеза (S) молекулы ДНК вступают в процесс репликации и удваиваются. В поздней интерфазе (фаза G2) основа каждой из хромосом состоит из двух идентичных молекул ДНК, образовавшихся в результате репликации и соединённых между собой в районе центромерной последовательности
• Перед началом деления клеточного ядра хромосома, представленная на этот момент цепочкой нуклеосом, начинает спирализовываться, или упаковываться, образуя при помощи белка H1 более толстую хроматиновую нить, или хроматиду, d =30 нм. В результате дальнейшей спирализации диаметр хроматиды достигает ко времени метафазы 700 нм. Конденсированная хромосома имеет вид буквы X (часто с неравными плечами), поскольку две хроматиды, возникшие в результате репликации, по-прежнему соединены между собой в районе центромеры (подробнее о судьбе хромосом при клеточном делении см. статьи митоз и мейоз)

Мужской хромосомный набор диплоидной (обычной) клетки

Обратите внимание! Присутствует как X, так и Y-хромосома

Женский хромосомный набор диплоидной (обычной) клетки

Обратите внимание! Присутствуют только X-хромосомы

Типы строения хромосом

• Различают четыре типа строения хромосом:

• телоцентрические - палочковидные хромосомы с центромерой, расположенной на проксимальном конце);
• акроцентрические - палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом);
• субметацентрические - с плечами неравной длины, напоминающие по форме букву L);
• метацентрические - V-образные хромосомы, обладающие плечами равной длины).

• Тип хромосом является постоянным для каждой гомологичной хромосомы и может быть постоянным у всех представителей одного вида или рода

1 - равноплечие (метацентрические);

2 - неравноплечие (субметацентрические);

3 - палочковидные (акроцентрические);

4 - хромосомы с вторичной перетяжкой.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

ДНК – биологический полимер, состоящий из двух спирально закрученных цепочек

Строение ДНК

• ДНК - полимер
• Мономеры - нуклеотиды
• Нуклеотид - химическое соединение остатков трех веществ: азотистых оснований, углевода, остатка фосфорной кислоты

Строение нуклеотида

Азотистые

основания :

Цитазин

Остаток фосфорной кислоты

Углевод :

Дезоксирибоза

Макромолекулярная структура ДНК

• В 1953 г. Дж.Уотсон и Ф.Крик предложили модель структуры ДНК. При построении структуры ученые основывались на 4 группах данных:

• ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных 3 `- 5 `- фосфодиэфирными связями

2. Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилам Чаргаффа:

(A + G) = (T + C); число остатков А=Т, G = C

3. Рентгенограммы волокон ДНК указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит более одной полинуклеотидной цепи

4. Стабильность структуры за счет водородных связей

Макромолекулярная структура ДНК.

• правильная правовинтовая спираль, состоящая из 2 полинуклеотидных цепей, которые закручены друг относительно друга вокруг общей оси;
• цепи имеют антипараллельную ориентацию
• пиримидиновые и пуриновые основания уложены стопкой с интервалом 0,34 нм;
• длина витка спирали – 3,40 нм.
• наличие комплиментарных пар – основания, которые образуют пары, в которых они сочетаются водородными связями

Ген – участок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре одной молекулы белка-фермента.

Он и является наследственным фактором любого живого тела природы.

В каждой клетке синтезируется несколько тысяч различных белковых молекул.

Белки недолговечны, время их существования ограничено, после чего они разрушаются.

Информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована

в виде последовательности нуклеотидов в ДНК.

Кроме белков, нуклеотидная последовательность ДНК кодирует информацию о рибосомальных РНК и транспортных РНК.

Итак, последовательность нуклеотидов каким-то образом кодирует последовательность аминокислот.

Все многообразие белков образовано из 20 различных аминокислот, а нуклеотидов в составе ДНК - 4 вида.

Код ДНК должен быть триплетным. Было доказано, что именно три нуклеотида кодируют одну аминокислоту, в этом случае можно будет закодировать

4 3 - 64 аминокислоты.

А так как аминокислот всего 20, то некоторые аминокислоты должны кодироваться несколькими триплетами.

Свойства генетического кода:

• Триплетность: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов – кодоном .
• Однозначность: кодовый триплет, кодон, соответствует только одной аминокислоте.
• Вырожденность (избыточность): одну аминокислоту могут кодировать несколько (до шести) кодонов.

• Универсальность: генетический код одинаков, одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами нуклеотидов у всех организмов Земли.
• Неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов.

Свойства генетического кода:

• Наличие кодона- инициатора и кодонов-терминаторов: и з 64 кодовых триплетов 61 кодон - кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 - бессмысленные, не кодируют аминокислоты, терминирующие синтез полипептида при работе рибосомы (УАА, УГА, УАГ). Кроме того, есть кодон - инициатор (АУГ) - метиониновый, с которого начинается синтез любого полипептида.

Информации в клетках являются молекулы ДНК (у некоторых вирусов и бактериофагов РНК). Генетические функции ДНК были установлены в 40-х гг. ХХ в. при изучении трансформации у бактерий. Это явление было впервые описано в 1928 г. Ф. Гриффитом при изучении пневмококковой инфекции у мышей. Вирулентность пневмококков определяется наличием капсульного полисахарида, расположенного на поверхности клеточной стенки бактерии. Вирулентные клетки образуют гладкие колонии, обозначаемые как S-колонии (от англ. smooth — гладкий). Авирулентные бактерии, лишенные капсульного полисахарида в результате мутации гена, формируют шероховатые R-колонии (от англ. rough — неровный).

Как видно из схемы, в одном из вариантов опыта Гриффит заражал мышей смесью живых клеток R-штамма и мертвых клеток S-штамма. Мыши погибали, хотя живые бактерии не обладали инфекционностью. Живые бактерии, выделенные из погибших животных, при посеве на среду образовывали гладкие колонии, так как имели полисахаридную капсулу. Следовательно, происходила трансформация авирулентных клеток R-штамма в вирулентные клетки S-штамма. Природа трансформирующего агента осталась неизвестной.

В 40-х гг. в лаборатории американского генетика О. Эвери был впервые получен очищенный от белковых примесей препарат ДНК из клеток S-штамма пневмококков. Обработав этим препаратом мутантные клетки R-штамма, Эвери и его коллеги (К. Мак-Леод и М. Мак-Карти) воспроизвели результат Гриффита, т.е. добились трансформации: клетки приобрели свойство вирулентности. Таким образом, была установлена химическая природа вещества, осуществляющего перенос информации. Этим веществом оказалась ДНК.

Открытие было достаточно неожиданным, так как до этого времени генетические функции ученые склонны были приписывать белкам. Одной из причин этой ошибки было отсутствие знаний о строении молекулы ДНК. Нуклеиновые кислоты были открыты в ядрах клеток гноя в 1869 г. нем. химиком И. Мишером, и был изучен их химический состав. Однако до 40-х гг. ХХ в. ученые ошибочно полагали, что ДНК — это монотонный полимер, в котором чередуется одна и та же последовательность из 4-х нуклеотидов (AGCТ). Кроме того, нуклеиновые кислоты считались крайне консервативными соединениями с низкой функциональной активностью, в то время как белки обладали рядом свойств, необходимых для выполнения генетических функций: полиморфностью, лабильностью, наличием в составе их молекул различных химически активных групп. И поэтому Эвери и его коллег стали обвинять в некорректности выводов, в недостаточной очистке препарата ДНК от белковых примесей. Однако усовершенствование методики очистки позволило подтвердить трансформирующую функцию ДНК. Ученым удалось передать способность к образованию других типов капсульных полисахаридов у пневмококков, а также получить трансформацию у других видов бактерий по многим признакам, в том числе по устойчивости к антибиотикам. Значение открытия американских генетиков трудно переоценить. Оно послужило стимулом к изучению нуклеиновых кислот, в первую очередь ДНК, в научных лабораториях многих стран.

Вслед за доказательством трансформации у бактерий, генетические функции ДНК были подтверждены на примере бактериофагов (бактериальных вирусов). В 1952 г. А. Херши и С. Чейз инфицировали клетки кишечной палочки (Escherihia coli) фагом Т2. При добавлении к бактериальной культуре этот вирус сначала адсорбируется на поверхности клетки, а затем впрыскивает в нее свое содержимое, что вызывает гибель клетки и освобождение новых фаговых частиц. Авторы эксперимента метили радиоактивной меткой либо ДНК фага Т2 (32Р), либо белок (35S). Фаговые частицы смешивали с бактериальными клетками. Неадсорбированные частицы удаляли. Затем с помощью центрифугирования инфицированные бактерии отделяли от пустых оболочек фаговых частиц. Оказалось, что метка 35S связана с оболочками вируса, которые остаются на поверхности клетки, и, следовательно, вирусные белки внутрь клетки не поступают. Большая же часть метки 32Р оказалась внутри инфицированных бактерий. Таким образом, было установлено, что инфекционные свойства бактериофага Т2 определяются его ДНК, которая проникает в бактериальную клетку и служит основой для образования новых фаговых частиц. Этот опыт также показал, что фаг использует ресурсы клетки-хозяина для собственного воспроизведения.

Итак, к началу 50-х гг. ХХ в. было накоплено достаточное количество фактов, указывающих на то, что носителем генетической информации является ДНК . Помимо изложенных выше прямых доказательств, в пользу этого вывода говорили косвенные данные о характере локализации ДНК в клетке, постоянстве ее количества, метаболитической стабильности и подверженности мутагенным воздействиям. Все это стимулировало исследования по изучению структуры этой молекулы.

Читайте также другие статьи темы 6 "Молекулярные основы наследственности" :

Перейти к чтению других тем книги "Генетика и селекция. Теория. Задания. Ответы" .