Строение ДНК и РНК, генетический код и его свойства

1953 г. считается датой рождения новой биологической науки — молекулярной биологии. Название “молекулярная биология” предложил английский ученый кристаллограф У. Астбери. В свою очередь она заложила основу возникновения многих самостоятельных научных дисциплин. Так как Ф. Крик и д. Уотсон, кроме открытия структуры ДНК, внесли большой вклад в изучение других разделов молекулярной биологии, развитие этой науки по праву связывают с их именами.

Открытие  в 1953 г. структуры и механизма функционирования ДНК в качестве носителя наследственной информации является началом современного этапа в изучении нуклеиновых кислот. Расшифровка строения нуклеиновых кислот, понимание их функции способствовали значительному прогрессу в изучении белкового синтеза.

В 50—х. годах  ХХ в. в опытах с модельными системами было доказано, что местом синтеза белка в клетке являются рибосомы. В это же время была открыта транспортная РНК и установлена вся последовательность этапов биосинтеза белковых молекул.

В середине 50—х. годов на основании исследованний, проведенных в различных разделах биологии, была сформулирована концепция о том, что гены являются участками молекулы ДНК, в которых наследственная информация закодирована чередованием пар нуклеотидов. Был создан новый раздел генетики - молекулярная генетика.

В середине 60-х годов исследователи Р. Холли, Г. Цахау, А. А. Баев и другие разработали принцип определения последовательности нуклеотидов в РНК, который лег в основу изучения структурно-функциональной организации отдельных РНК.

В 1961 г. Ф. Крик сформулировал основные свойства генетического  кода. Он математически и экспериментально доказал существование кодирования генетической информации.

В 1961 г. Ф. Жакоб и Д. Моно установили общий принцип работы оперона — группы генов, определяющих синтез функционально связанных ферментов. Эта модель явилась мощным стимулом в разработке практического использования знаний о нуклеиновых кислотах, включая и развитие генной инженерии.

В 1965 г. Ф. Крик выдвинул гипотезу неоднозначного соответствия. Развитие этой гипотезы вылилось в разработку общих принципов структуры генетического кода, что позволило объяснить механизм соответствия кодонов аминокислотам. Одновременно М. Ниренберг и его сотрудники экспериментально доказали, что генетический код содержит равнозначные, как бы взаимозаменяемые кодоны. Они обнаружили, что фенилаланиновая транспортная РНК может присоединяться к двум различным кодонам: как к кодону урацил – урацил - урацил, так и к кодону урацил – урацил – цитозин.

В 1956 г. Д. Тжио и А. Леван установили, что хромосомный набор человека состоит из 46 хромосом. Эта дата считается датой рождения современной цитогенетики человека. К тому времени уже успешно культивировались клетки вне организма, применялись особые способы получения пригодных для проведения хромосомного анализа метафазных пластинок, т. е. пластов клеток, находящихся в метафазе.

В это же время ученые начали обстоятельно исследовать хромосомные аномалии с помощью новых методов, основанных на последних достижениях в изучении структуры нуклеиновых кислот. Было установлено, что хромосомные болезни начинают проявляться уже на самой ранней стадии развития зародыша, а некоторые хромосомные нарушения вызывают его гибель. Накопление знаний о нуклеиновых кислотах и последствиях изменений их структуры в 60—70-х годах привело к появлению в разных странах медико-генетических учреждений для оказания медицинской помощи лицам, страдающим наследственными заболеваниями.

Начиная с 70-х  годов ХХ в. разработка методов дифференциальной окраски хромосом для клинической цитогенетики позволила выявить каждую хромосому в ядре клетки, дала возможность во многих случаях судить о происхождении аномальных хромосом. Успех клинической цитогенетики продолжает развиваться и в настоящее время: выделены редкие наследственные заболевания, обусловленные нарушением отдельных сегментов хромосом, а число известных наследственных признаков у человека к 1978 г. достигло 2811.

Таким образом, история развития знаний о нуклеиновых кислотах наглядно демонстрирует постепенный переход от феноменологии нуклеиновых кислот к их экспериментальному и теоретическому изучению с последующим выходом в практику.

 

 

Глава 2.Дезоксирибонуклеиновые кислоты.

 

СОСТАВ  И СТРУКТУРА ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ.

 

Молекулы  ДНК, выделенные из ядер клеток, в электронном  микроскопе представлены в виде длинных  нитей, состоящих из большого числа  дезоксирибонуклеотидов. Нити ДНК толще и длиннее, чем нити белков. Длина молекулы ДНК достигает сотен тысяч нанометров. Это несравнимо больше самой крупной белковой молекулы, которая в развернутом виде достигает в длину не более 1ОО—200 нм. Молекула ДНК по массе достигает 6*1О^-12 грамма.

Генетическая  информация, заключенная в ДНК, состоит  из последовательности нуклеотидов. ДНК  состоит в основном из четырех  нуклеотидов, которые соответствуют  четырем азотистым основаниям: аденину, гуанину, тимину и цитозину. Кроме этих оснований, препараты ДНК могут содержать метилированные производные этих оснований.

Основную  структурную цепь молекулы ДНК образуют последовательно соединенные друг с другом молекулы пентозы и ортофосфорной  кислоты. Цепь ДНК представляет углеводно-фосфатную  последовательность, с которой соединены  азотистые основания. Углеводные и  фосфатные группы выполняют только структурную функцию. Молекулы ортофосфорной  кислоты соединяют между собой  молекулы дезоксирибозы  за  счет образования химических связей. При взаимодействии  гидроксильной группы 3-го атома углерода одной молекулы пентозы с гидроксильной группой 5-го углеродного атома другой молекулы пентозы отщепляется молекула воды. Тогда у остатков ортофосфорной кислоты сохраняется еще по одной гидроксильной группе, способной диссоциировать. Это обусловливает кислотные свойства всей макромолекулы ДНК.

Молекула  ДНК имеет две цепи нуклеотидов, расположенных параллельно друг другу, но в обратной последовательности. Эти цепи удерживаются между собой  за счет водородных связей между парами аденин - тимин и гуанин - цитозин. При этом азотистые основания располагаются внутри спирали. Водородные связи образуются между любым электроотрицательным атомом, например кислородом тимина или азотом аденина и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом:

Между аденином и тимином образуются две водородные связи, между гуанином и цитозином — три. Эти связи играют очень важную роль в поддержании вторичной структуры ДНК.

Дополнение  аденина тимином и гуанина цитозином, иначе называемое комплементарностью, обеспечивает одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и образование между противоположными основаниями максимального числа водородных связей, что придает молекуле одновременно устойчивость и подвижность. Последовательность оснований в одной цепи ДНК строго соответствует последовательности оснований в другой цепи. Это является необходимым условием функционирования ДНК и передачи наследственной информации. При необходимости двойная спираль ДНК легко рвется под действием фермента дезоксирибонуклеазы.

Молекула  ДНК в ядре клетки не существует изолированно сама по себе. Она окружена связанными с ней белками. Но белки  не принимают участия в передаче наследственной информации.

Основными белками, локализованными в ядре клеток и  связанными с ДНК, являются специальные  белки, называемые гистонами. Гистоны  обладают основными (щелочными) свойствами благодаря высокому содержанию в  них основных аминокислот. По-видимому, их действие компенсирует в некоторой степени кислотные свойства нуклеиновых кислот. По преобладающему содержанию аминокислот выделяют пять важнейших гистонов: гистон Н1 имеет высокое содержание лизина, гистон Н2b лизина содержит меньше, чем предшествующий гистон, гистон Н2а имеет высокое содержание лизина и аргинина, гистон Н3 содержит большое количество аргинина, гистон Н4 богат аргинином и глицином.

Помимо ядерной  ДНК, эукариотические клетки содержат небольшое количество цитоплазматической ДНК, т. е. ДНК, которая располагается в цитоплазме, за пределами ядра. Эта ДНК называется внеядерной. На долю внеядерной ДНК приходится около 0,1- 0,2 всей клеточной ДНК. Внеядерная ДНК отличается от ядерной составом азотистых оснований и молекулярной массой. Она находится в митохондриях - постоянно присутствующих внутриклеточных органоидах, участвующих в преобразовании энергии в клетке.

Небольшое количество ДНК содержат некоторые пластиды растительных клеток, в частности  хлоропласты, — пластиды, имеющие  хлорофилл и участвующие в  процессе фотосинтеза.

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ

 

При нагревании ДНК денатурирует, т. е. разрушается. Денатурация двух цепочек ДНК  происходит при температуре выше 90 ⁰С, а инактивация (частичное разрушение) начинается про температуре 85 ⁰С.

При нагревании раствора ДНК и одновременном  регистрировании оптической плотности  раствора при длине волны 260 нм при определенной температуре произойдет резкое увеличение поглощения света раствором. Наблюдается так называемый гиперхромный эффект. Температура, при которой наблюдается гиперхромный эффект, называется температурой плавления. Гиперхромный эффект при температуре плавления связан с тем, что происходит разрыв водородных связей и нарушается упорядоченность молекулы ДНК. Понятие температуры плавления в отношении ДНК связывают с кристаллическим состоянием молекулы ДНК до соответствующей температуры и нарушением упорядоченной структуры при нагревании выше температуры плавления. Характер дифракции рентгеновских лучей также указывает на кристаллическое строение дезоксирибонуклеиновой кислоты.

 

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГЕНЕ

 

Ген — это  элементарная единица наследственности, представляющая собой определенную специфическую последовательность нуклеотидов в ДНК.

В хромосомах диплоидных организмов гены расположены  парами. Хромосома разделена на участки - локусы. Локус — это место  расположения того или иного гена в хромосоме. Сам ген состоит  из двух или нескольких аллелей. Аллель - это один или несколько вариантов  гена, которые могут находиться в  данном локусе хромосомы. Таким образом, аллель представляет собой состояние  гена, определяющее развитие данного  признака.

Общее число  генов в клетке высших организмов составляет около 100 000. Каждому гену соответствует свой белок. Структурные  гены в геноме расположены в такой  последовательности, в какой действуют  образующиеся под их контролем ферменты. Структурными гены называются так потому, что они определяют структуру  ферментов. Например, синтез аргинина происходит в четыре этапа, каждый из которых контролируется определенным ферментом. Вся последовательность ферментов закодирована в ДНК  в виде генов в той же последовательности.

В генах закодирована генетическая информация, единицей которой  является кодон — группа из трех по последовательных нуклеотидов, иначе  называемая триплетом.

Многие гены, по крайней мере у прокариот, входят в состав оперона. Оперон – это группа генов, определяющая синтез функционально связанных ферментов. В него входят структурные и другие гены, например, ген - регулятор, который с небольшой, но постоянной  скоростью обеспечивает синтез специфического белка, называемого репрессором. Этот белок обладает сильным сродством к гену—оператору и может легко присоединяться к нему. Ген - оператор управляет функционированием структурных генов. Он как бы то включает их, то выключает. При связывании гена—оператора с белком-репрессором работа структурных генов прекращается.

Долгое время  считалось, что генетический аппарат  клетки неподвижен, фиксирован и все  гены занимают в нем строго определенное положение. Однако ряд данных не согласовывался с этим положением. Еще в конце 40-х годов Б. Макклинток (США) получила на кукурузе ряд мутаций, которые она объяснила наличием генетических элементов, меняющих свое место в ДНК. Это положение было настолько революционным, что к нему отнеслись вначале с большим недоверием. Тем более что полученные автором экспериментальные данные были только косвенным. Позднее подвижные гены были обнаружены у бактерий.

Сейчас считается, что и в клетках животных не все гены строго фиксированы —  среди них также существуют подвижные  гены, которые играют важную роль в  эволюционном процессе. С подвижными генами, возможно, связано и возникновение  злокачественных опухолей.

Ген важен  еще тем, что он ответственен за проявление действия мутаций. Мутация - это внезапно возникшее изменение генетической информации, обусловленное изменением структуры кодирующей ее молекулы ДНК. Мутации, в зависимости от точки  приложения, могут изменить внешние  признаки организма, его физические особенности, биохимические и биофизические  процессы, нарушить развитие, ослабить жизнеспособность организма или  даже привести его к гибели. Чаще всего мутации сопровождаются неблагоприятными последствиями. Генные мутации являются причиной развития некоторых болезней, например серповидноклеточной анемии.

Явление мутации  лежит в основе эволюции и селекции живых организмов. В результате репликации ДНК наследственные признаки передаются потомству, но только мутации обеспечивают возникновение какого-либо нового признака. И уже затем этот новый признак  передается по наследству.

Для изучения мутаций и их последствий в  отношении организма используют вещества, которые искусственно вызывают мутации. Вещества, вызывающие мутации, называются мутагенами. К таким веществам  относятся, например, соединения из группы акридинов. Акридины состоят из трех расположенных рядом углеводородных колец, что определяет их окрашивающие и мутирующие свойства. В частности, к акридинам относится вещество акрифлавин.

Существуют  и благоприятные мутации. Такие  мутации приводят к тому, что замена, например, одной аминокислоты на другую сопровождается улучшением функционирования данного фермента. Такая мутация  закрепляется в организме при  последующем размножении вида.

 

 

 

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ  КОД

 

Генетический  код — это система расположения нуклеотидов в нити ДНК, обусловливающая  соответствующую последовательность расположения аминокислот в белке. Генетический код передается по наследству и определяет свойства организмов. Он может меняться в результате мутаций, которые бывают положительными и  меняют его в сторону, благоприятную  для организма, или, что бывает чаще, в неблагоприятную или даже губительную для конкретного организма.