Молекулярно-генетический уровень. Генетический код

    Доклад  на тему «Молекулярно-генетический уровень. Генетический код».

    Молекулярно-генетический уровень является начальным. Его изучает молекулярная биология. Существуют четыре класса соединений, которые выполняют основные биологические функции, поэтому их называют биологическими молекулами. Это белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды. Они обязательно присутствуют в любой клетке. Исключением являются неклеточные организмы - вирусы, которые состоят лишь из белков и нуклеиновой кислоты. Каждый из этих классов веществ выполняет специфические функции и не может быть заменен другим соединением. Например, нуклеиновые кислоты осуществляют хранение и реализацию наследственной информации: дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков; 
рибонуклеи́новые кисло́ты (РНК) — нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания — аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащей вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах. Белки управляют всеми биохимическими реакциями в клетке. Большинство белков выполняет функцию ферментов, играют роль переносчиков ( например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям). Мышечные сокращения и внутриклеточные движения — результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Функцией белков-антител является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью. Липиды формируют основу биологических мембран и т. д. Полисахари́ды  являются одним из основных источников энергии, образующейся в результате обмена веществ организма. Они принимают участие в иммунных процессах, обеспечивают сцепление клеток в тканях, являются основной массой органического вещества в биосфере. Примеры полисахаридов: крахмал — основной полисахарид, откладываемый как энергетический запас у растительных организмов; гликоген — полисахарид, откладываемый как энергетический запас в клетках животных организмов, но встречается в малых количествах и в тканях растений; целлюлоза — основной структурный полисахарид клеточных стенок растений; хитин — основной структурный полисахарид экзоскелета насекомых и членистоногих, а также клеточных стенок грибов.

    Т.о, на молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедеятельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии.  С помощью молекулярного уровня осуществляется передача наследственной информации, образуются отдельные органоиды и происходят другие процессы.

    Элементарной  единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген — фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, в котором записан определенный в качественном и количественном отношении объем биологической информации, а носителем наследственной информации у всех живых организмов — молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень и называют молекулярно-генетическим.

    Генетический  код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов ( представления об общих принципах и осн. свойствах генетического кода были разработаны Ф. Криком в 1957-65).

      Каждый нуклеотид обозначается  заглавной буквой, с которой начинается  название азотистого основания,  входящего в его состав:  
- А (A) аденин;  
- Г (G) гуанин;  
- Ц (C) цитозин;  
- Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил (в мРНК). 

    В живой клетке имеются органеллы  — рибосомы, которые «читают» первичную  структуру ДНК и синтезируют  белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК  определяет последовательность аминокислот  синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

    Примечание  - Биохимики из Кембриджского университета (Cambridge University) создали первый в мире организм с искусственной информацией в ДНК. Об этом потрясающем научном прорыве, безусловно, одном из крупнейших за последние годы, сообщает BBC со ссылкой на Журнал американского химического общества (Journal of the American Chemical Society).

    Объектом  для опыта сотрудники Лаборатории  молекулярной биологии (Laboratory of Molecular Biology) знаменитого британскогоуниверситета избрали миниатюрного (длиной около 1 мм) круглого червя Caenorhabditis elegans. Его ДНК, как и ДНК всех прочих живых существ, «написан» на «языке», состоящем из четырёх «букв» — нуклеиновых кислот A, C, G и T — объединённых в «слова»-триплеты. Переписав одно из этих «слов», учёные смогли заставить клетки червя вырабатывать дополнительную, 21-ю аминокислоту. Это удивительное достижение, ведь в природе все белки всех без исключения живых существ состоят из 20 аминокислот.  

    Ведущими  авторами этой потрясающей работы являются Себастьян Грейсс (Sebastian Greiss) и Джейсон Чин (Jason Chin).

    Таким образом, появляется возможность программировать  биохимию живых организмов на атомарном  уровне, что открывает огромные перспективы  в биотехнологии. Например, с помощью  измененного ДНК можно будет  «запрограммировать» клетки на выработку  светящихся белков и превратить их, таким образом, в «живые лазеры», что открывает новые перспективы в медицине. Кстати, Чин и Грейсс работают в той же самой лаборатории в Кембридже, в которой Уотсон и Крик полвека назадвпервые установили, что ДНК имеет форму двойной спирали.

    Свойства  генетического кода:

1.                Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).  
2.                Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.  
3.                Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).  
4.                Однозначность — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. (Свойство не является универсальным. Кодон UGA уEuplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)  
5.                Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.  
6.                Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии).

    Генетический  код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков.

    Механизм  воспроизводства  ДНК состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

    Репликация  — это удвоение молекул ДНК. Основой репликации является уникальное свойство ДНК к самокопированию, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к исходной. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая — новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме — мутациям.

    Транскрипция  — это перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК (и-РНК) на одной из нитей ДНК. и-РНК — это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы расположенных рядом генов, несущих информацию о структуре белков.

    Трансляция  — это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых органоидах клетки — рибосомах, куда транспортная РНК (т-РНК) доставляет аминокислоты.

    Рис 1. Схема биосинтеза белка (по Л.С. Спирину, 1986): 1 –синтез иРНК (транскрипции). 2–3 – иРНК проходит через поры ядерной мембраны к рибосомам (трансляции), 4 – аминокислоты, соединяясь в определенной последовательности, из РНК образуют фермент, 5–6 – образование белка

    Источники представленной информации:

    http://coolreferat.com/

    http://proznania.ru/books.php/?page_id=403

    http://obiolog.ru

    http://ru.wikipedia.org

    http://vzglyadzagran.ru 

    Дополнительная  информация к докладу.

    Установление  отцовства на основании  генетического исследования ДНК.

    Для проведения молекулярно-генетических исследований пригодны любые биологические образцы, содержащие ДНК, начиная от простых в работе видов биоматериала, таких как кровь или клетки защечного эпителия и, заканчивая сложными в работе видами биоматериала, такими как волосы, ногти и кости. Результат этого исследования остается неизменным всегда, независимо от вида биоматериала, возраста, болезней и прочих факторов.

    Стоит отметить, что, при установлении отцовства  без материала матери, сложнее  достичь уровня необходимой достоверности, чем в случае тестирования всей семьи. Поэтому, когда ДНК-экспертиза проводится с целью установления или оспаривания  отцовства в судебном порядке, судьи, настаивают на одновременной сдаче  биологического материала от предполагаемого  отца, ребенка и биологической  матери. Именно в этих случаях формулировка заключения, выданного судебно-медицинским  экспертом, проводившим исследование, не должна вызывать никакого сомнения.

    Для исключения факта отцовства необходимо получить как минимум три несовпадения между изучаемыми фрагментами ДНК  предполагаемого отца и ребенка.

    Установление  отцовства с помощью исследования молекулы ДНК – это возможность  получить абсолютно достоверный, научно обоснованный результат, который является важным аргументом в решении многих юридических проблем, таких как  бракоразводные процессы и взыскание  алиментов, определение наследников  и распределение наследства, иммиграционные вопросы и многие другие.

    Определять  пол эмбриона и  отца ребенка по крови  матери предлагают американские генетики. Причем новый тест, так называемый бесклеточный анализ ДНК плода, позволит отказаться от неприятных и порой опасных процедур забора образцов клеток зародыша, околоплодной жидкости или плаценты, сообщает журнал New Scientist.

    В Центре диагностики ДНК в США  на основе технологии считывания однобуквенных  вариантов генетического кода, предложенной калифорнийской компанией Gene SecurityNetwork, создан ДНК-чип, который устанавливает отцовство по крови беременной женщины.

    Обычно  довольно сложно определить, чей именно материал исследуется, поскольку лишь 10 процентов ДНК в плазме крови  матери принадлежит ребенку. Однако новая методика позволяет уже на 12-й неделе беременности безошибочно выделять профиль плода и сравнивать его с образцами ДНК возможного отца.

    Также по тесту, в основе которого лежит  выявление фрагментов мужской половой  хромосомы в крови будущей матери, можно узнать пол ребенка. Доктор Диана Бианчи из Университета Тафтса, которая отследила более шести тысяч случаев беременности, утверждает: методика позволяет распознавать девочек с точностью в 94,8 процента, а мальчиков - в 98,8. Причем на ранних сроках, когда УЗИ еще бесполезно.

    Такие данные нужны также для выявления  рисков наследственных заболеваний, например гемофилии - плохой свертываемости крови, от которой, как известно, страдал  цесаревич Алексей, сын последнего русского императора Николая II.

    Однако  если процедура установления отцовства  ни у кого не вызывает сомнений, то вот  определение пола на ранней стадии спровоцировало споры этического характера. Противники такого теста считают, что  его можно использовать для проведения выборочных абортов по половому признаку.

    "Такой  "искусственный отбор", обусловленный  культурно-религиозными традициями, уже происходит и порождает  половозрастной дисбаланс", - уверяет  представитель России в Руководящем  комитете по биоэтике Совета  Европы Борис Юдин. Так, по данным  Консультативной комиссии по  биоэтике при президенте США,  при норме рождаемости в любой  популяции - 106 мужских особей  на 100 женских - в некоторых регионах  планеты это соотношение составляет 122:100. В итоге лет через 15, считают  эксперты, в таких районах демографическая  ситуация изменится. А нехватка  молодых женщин спровоцирует  социальные потрясения, поскольку  юноши, не реализовавшие себя  в сексуальном плане и заботе  о семье, направят свою энергию  в другом, разрушительном направлении.