Глава А. Аналоговые таблицы генетического кода (XIII) Первым, кто попытался упорядочить таблицу генетического кода и построить ее на рациональной основе, был наш выдающийся ученый Юрий Борисович Румер. Он был физиком, учеником Макса Борна, хорошо знал Альберта Эйнштейна,

Глава Б. Барионная оцифровка генетического кода (XIV) ФОРМАТЫ 1D и 2D Строго говоря, барионным числом называется сохраняемое квантовое число системы. Нам нет необходимости углубляться в эту тему. Может быть, стоит помнить лишь то, что барион - это элементарная частица,

8.6. Значение материала патологии для изучения системной организации поведения Таким образом, проекция индивидуального опыта на структуры мозга изменяется в филогенезе, определяется историей обучения в процессе индивидуального развития и модифицируется при

Мутационный процесс - первый поставщик эволюционного материала Элементарные эволюционные факторы выделяют на основе характера и природы их воздействия на популяции, а также по результатам оказываемого ими давления на популяции. При этом необходимым и достаточным

Колебания численности - второй поставщик материала для эволюции Один из важнейших эволюционных факторов - периодические изменения численности особей, популяционные волны. В данном случае речь идет о колебаниях в положительную и отрицательную сторону, сменяющих друг

Изучение динамики генетического состава популяции В начале этой книги подчеркивалось, что одна из важнейших задач современного популяционного исследования - получение материалов по самым разнообразным эволюционным ситуациям в природных популяциях, в частности,

Глава A. Аналоговые таблицы генетического кода (XIII) Первым, кто попытался упорядочить таблицу генетического кода и построить ее на рациональной основе, был наш выдающийся ученый Юрий Борисович Румер. Он был физиком, учеником Макса Борна, хорошо знал Альберта Эйнштейна,

Глава Б. Барионная оцифровка генетического кода (xiv)

Молекулярной основой наследственности у всех прокариот и эукариот является особый класс биоорганических веществ - нуклеиновые кислоты, подразделяющиеся по своему химическому составу и биологической роли на дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК).

Оба типа нуклеиновых кислот представляют собой нитевидные молекулы, состоящие из отдельных структурных единиц - нуклеотидов, соединенных в многозвеньевую полинуклеотидную цепь. Каждый нуклеотид состоит из следующих трех химически различных частей: I) остатков 5-углеродного сахара-дезоксирибозы (в ДНК) и рибозы (в РНК), образующих «остов» полинуклеотидной нити; 2) четырех азотистых оснований аденина (А), гуанина (G), цитозина (С) и тимина (Т) (в молекуле РНК последнее основание заменено на урацил U), причем каждое азотистое основание ковален-тно соединено с первым атомом углерода сахара посредством гликозидной связи; 3) фосфатной группы, соединяющей соседние нуклеотиды в единую цепь посредством формирования фосфодиэфирных связей между 5"-атомом углерода одного сахара и 3-атомом углерода другого.

Запись генетической информации осуществляется линейно от 5"-конца к 3"-концу молекулы нуклеиновой кислоты. В состав одной такой молекулы может входить до многих миллионов нуклеотидов.

В клетке молекулы ДНК существуют в виде спирализованной двойной цепи (двойной спирали), нити которой антипараллельны, т.е. имеют противоположную ориентацию. Двойная цепь ДНК образуется благодаря слабым водородным связям между комплементарными основаниями: аденин строго комплементарен тимину, а цитозин - гуанину.

При определенных условиях указанные водородные связи могут разрываться, приводя к появлению од-ноцепочечных молекул {денатурация ДНК), а в дальнейшем образовываться вновь между теми же комплементарными участками (ренатурация, или гибридизация ДНК). В процессе гибридизации происходит точное восстановление исходной двойной спирали ДНК. Именно наличие комплементарности обеспечивает как точность самовоспроизводства ДНК в каждом цикле клеточного деления (этот процесс носит название репликация), так и восстановление нарушепного нуклеотидного состава молекулы ДНК. В связи с комплементарностью нуклеотидов в составе двойной спирали длину молекулы ДНК принято выражать в парах оснований (и.о.), а также тысячах пар оснований (килобазы, кб) и миллионах пар оснований (мегабазы, мб). В состав ДНК человека как биологического вида входит около 3 миллиардов п.о.

Направленный синтез молекулы ДНК в клетке осуществляется особым ферментом - ДНК-полимеразой. Этот процесс предполагает «расплетение» двойной спирали на участке синтеза и образование особой белково-нуклеиновой структуры - репликационной вилки; постепенное продвижение репликационной вилки вдоль двойной спирали сопровождается последовательным присоединением к вновь образуемой цепи оснований, комплементарных однонитевой ДНК-матрице (синтез растущей цепи ДНК всегда протекает строго в направлении от 5" к 3").

Комплементарный синтез ДНК требует присутствия в среде отдельных «кирпичиков» для удлинения растущей молекулы - четырех видов молекул дезоксирибонуклеотид-трифосфатов (dATP, dTTP, dCTP и dGTP). Весь процесс инициируется особыми затравками - праймерами, представляющими собой короткие олигонуклеотидные молекулы, комплементарные определенному стартовому участку ДНК-матрицы.

Блок 2. ДНК. Вопросы 5,6,7.

Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика. Свойства и функции наследственного материала.

Самовоспроизведение генетического материала. Репликация ДНК.

Организация наследственного материала у про- и эукариот. Классификация нуклеотидных последовательностей в геноме эукариот (уникальные, среднеповторяющиеся, высокоповторяющиеся).

В 1868 г. швейцарский химик Ф. Мишер обнаружил в клеточных ядрах, изолированных из гноя, а позже из спермиев лосося вещество, которое он назвал «нуклеином» (от лат. nucleus - ядро). Впоследствии Р. Альтманн (1889 г.) сообщил, что выделенный Ф. Мишером «нуклеин» состоит из двух фракций - белковой и нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, обладают первичной структурой (под которой подразумевается их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Интерес к структуре ДНК усилился, когда в начале XX в. возникло предположение, что ДНК , возможно, представляет собой генетический материал. В 1952 году Чаргаффом было открыто правило комплиментарности, назнаванное впоследствии именем создателя. Оно заключается в том, что:

1. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина - цитозину: А=Т, Г=Ц.
2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.
3. Количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с кетогруппами в положении 6: А+Ц=Г+Т.

Впоследствии, Уилкинсоном была получена рентгенограмма ДНК. А еще несколько позже Уотсон и Крик в 1953 году предложили собственную модель ДНК, за которую вместе с Уилкинсоном были удостоены Нобелевской премии в 1962 году.

Основные принципы строения ДНК.

1. Мономер ДНК-нуклеотид, состоящий из азотистого основания, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания могут быть пуриновые А,Г или пиримидиновые Ц,Т.

2. Азотистые основания присоединяются к С1 атому углерода в молекуле пентозы, а к С5 присоединяется фосфат. У третьего атома всегда есть группа ОН.

3. При взаимодействии фосфата одного нуклеотида с гидроксилом дезоксирибозы другого устанавливается фосфодиэфирная связь.

4.Соединение нуклеотидов происходит через ОН пентозы в положение С3 и фосфата последующего нуклеотида.

5. ДНК есть двойная полинуклеотидная цепь. Две полинуклеотидных цепи связаны между собой водородными связями по принципу комплиментарности, А-Т и Г-Ц. Между А и Т две водородные связи, между Т и Ц три водородные связи.

6. Антипараллельность. 5 конец одной цепи соединяется с 3 концом другой цепи.

7.Диамет спирали ДНК равен 2 нм, а длина шага – 3,4 нм. На каждый виток приходится 10 пар нуклеотидов.

8. Первичная структура - полинуклеотидная цепь.

Вторичная структура - две комплиментарные друг другу антипараллельные полинуклеотидные цепи.

Третичная структура - трехмерная спираль.

9. ДНК обладает способностью к репликации.

РЕПЛИКАЦИЯ.

1 - матричные цепи ДНК; 2 - фермент геликаза, разделяющий цепи матричной ДНК; 3 - ДСБ-белки, препятствующие воссоединению цепей ДНК; 4 - праймаза; 5 - РНК-затравка (синтезируется РНК-полимеразой - праймазой); 6 - ДНКполимераза, синтезирующая дочерние цепи; 7 - лидирующая дочерняя цепь ДНК; 8 - лигаза, соединяющая фрагменты Оказаки отстающей цепи ДНК; 9 - фрагмент Оказаки (150-200 нуклеотидов); 10 – топоизомераза

Синтез новой молекулы ДНК осуществляется полуконсервативным способом. Это значит, что дочерняя молекула будет содержать одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь. Так как синтез ДНК происходит на одноцепочечной матрице, ему предшествует обязательное временное разделение двух цепей, с образованием репликативной вилки. С помощью электронного микроскопа выявили, что область репликации имеет вид глазка внутри нереплицированной ДНК (репликационный глазок, состоящий примерно из 300 нуклеотидов).

Репликон – фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки ее окончания.

Чтобы расплести спираль ДНК нужны особые ферменты(белки). В репликации принимают участие несколько ферментов, каждый из которых выполняет свою функцию.

ДНК-хеликазы(геликазы) разрывают водородные связи между основаниями, разделяют цепи и продвигают репликативную вилку.

Дестабилизирующие белки удерживают цепи.

ДНК –топоизомераза. Вспомним, что ДНК представляет собой спираль. Соответственно, чтобы вилка могла двигаться вперед, спираль должна быстро раскручиваться. Но это потребует большой потери энергии. На самом деле, этого все же не происходит. Этому и способствуют ДНК-топоизомеразы. Они вносят в цепьодно- и двухцепочечные разрывы, позволяющие цепям разделиться, а затем ликвидируют эти разрывы. Благодаряу одна из цепей ДНК начинает вращаться вокруг второй цепи. Также они участвуют в расцеплении колец, образующихся при репликации кольцевых ДНК.

Синтез цепей ДНК происходит с помощью ДНК-полимеразы. Но у этого фермента есть особенность. Он способен добавлять нуклеотиды к 3 концу уже имеющейся цепи. Такую заранее образованную цепь называют затравкой, которую синтезирует праймаза. РНК-затравка отличается от остальной цепи ДНК, так как в ней есть рибоза. Размер затравки невелик. Выполнившая свою функцию затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при этом брешь ликвидируется ДНК-полимеразой (в данном случае вместо затравки она использует 3ОН конецсоседнего фрагмента ДНК).

Репликация ДНК предполагает, что синтез двух цепей происходит одновременно. Но на самом деле все происходит не совсем так. Вспомним, что цепи антипараллельны. А синтез новой цепи может происходить только в направлении от 5 конца к 3. Поэтому непрерывно синтез происходит только на одной цепи (лидирующей). На второй (отстающей) он происходит фрагментами Оказаки. Синтез каждого из фрагментов осуществляется с помощью РНК-затравки. Затем затравки удаляются, бреши заполняются ДНК-полимеразой и фрагменты сшиваются ферментом лигазой .

Структурно-функциональная организация ДНК у про- и эукариот

Изучите таблицы, перепишите их в рабочую тетрадь.

Исследования, направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярной массой. Это полимеры, состоящие из мономеров - нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин или пиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1" присоединяется азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атому углерода С-5" с помощью эфирной связи - фосфат; у третьего атома углерода С-3" всегда имеется гидроксильная группа - ОН (см. схему ).

Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь (рис. 3.2). В результате образуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1" присоединено одно из перечисленных выше азотистых оснований (рис. 3.3).

Рис. 3.1. Схема строения нуклеотида

Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии фермента полимеразы, который обеспечивает присоединение фосфатной группы следующего нуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3", предыдущего нуклеотида (рис. 3.3). Благодаря отмеченной специфике действия названного фермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце: там, где находится свободный гидроксил в положении 3". Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5". Это позволяет выделить в ней 5" и 3 "-концы.

Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений: дезоксирибонуклеиновую (ДНК ) и рибонуклеиновую (РНК ) кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала - хромосом - обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.

Структура днк. Модель Дж. Уотсона и ф. Крика

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар - дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований - пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин).

Особенностью структурной организации ДНК является то, что ее молекулы включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. В соответствии с трехмерной моделью ДНК, предложенной в 1953 г. американским биофизиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении.

Рис. 3.4. Схема строения молекулы ДНК. Стрелками обозначена антипараллельность цепей

Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5"-конец одной цепи соединяется с 3"-концом другой, и наоборот (рис. 3.4).

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага - 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.

Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными - при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Большинство молекул ДНК в растворе находится в правозакрученной - В-форме (В-ДНК). Однако встречаются также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Пространственные модели левоэакрученной Z-формы (I )

и правозакрученной В-формы (II ) ДНК

Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру - полинуклеотидную цепь, вторичную структуру - две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру - трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками.

Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию - репликация. Это свойство обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК, состоящей из двух комплементарных цепей. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным (см. рис. 2.12).

Для осуществления репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул.

Инициация репликации осуществляется в особых участках ДНК, обозначаемых ori (от англ. origin -начало). Они включают последовательность, состоящую из 300 нуклеотидных пар, узнаваемую специфическими белками. Двойная спираль ДНК в этих локусах разделяется на две цепи, при этом, как правило, по обе стороны от точки начала репликации образуются области расхождения полинуклеотидных цепей - репликационные вилки, которые движутся в противоположных от локуса ori направлениях. Между репликационными вилками образуется структура, называемая репликационным глазком, где на двух цепях материнской ДНК образуются новые полинуклеотидные цепи (рис 3.8, А ).

Конечным результатом процесса репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК.

Репликация ДНК у про- и эукариот в основных чертах протекает сходно, однако, скорость синтеза у эукариот (около 100 нуклеотидов/с) на порядок ниже, чем у прокариот (1000 нуклеотидов/с). Причиной этого может быть образование ДНК эукариот достаточно прочных соединений с белками (см. гл 3.5.2.), что затрудняет ее деспирализацию, необходимую для осуществления репликативного синтеза.