Молекулярные основы наследственности

Лекция 3

В 1927 году Кольцовым М.К. была выдвинута гипотеза о белковой природе гена. Изучение химии нуклеиновых кислот (рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой) началось в Тюбингенской лаборатории в Германии. Здесь в 1868-1869 г.г. молодой швейцарский физиолог и гистолог Ф. Мимер с ядерной массы лейкоцитов выделил вещество с сильными кислыми свойствами – нуклеин (от лат. ядро). Это была смесь двух веществ – нуклеиновой кислоты и белка. Ученый доказал, что в состав нуклеиновых кислот входят фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания, углеводные компоненты (сахара).

Исследованиями Ф.Гриффитса (1928), О.Эвери, К.Мак-Леода (1944) доказано, что вещество, которое направленно изменяет наследственность пневмококков, является ДНК, а не белок. С этого времени роль ДНК в наследственности большинство ученых считают доказанной.

Структурной единицей ДНК является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входит три компонента: остаток фосфорной кислоты, сахар пентоза – дезоксирибоза, азотистые основания – пуриновые (аденин - А, гуанин - Г) и пиримидиновые (тимин - Т, цитозин - Ц).

Структура молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д.Уотсоном и Ф.Криком. Молекула ДНК состоит из двух связанных между собой полинуклеотидных нитей спирально скрученных. Молекула ДНК состоит из тысяч нуклеотидов (10⁸ и более). Нуклеотиды последовательно связаны друг с другом в цепочку с помощью остатка фосфорной кислоты и молекулы дезоксирибозы. Специфичность каждого нуклеотида в молекуле ДНК определяется наличием соответствующего азотистого основания. Каждый нуклеотид одной цепочки соединяется водородными связями с нуклеотидом другой цепочки строго закономерно: аденин соединяется с тимином двумя водородными связями, гуании – с цитозином тремя водородными связями. Число пуриновых нуклеотидов (А+Г) равно числу пиримидиновых (Ц+Т), то есть отношение (А+Г):(Т+Ц)=1. Две комплементарные нити образуют правовинтовую спираль, каждый виток которой имеет длину 3,4 нм, расстояние между нуклеотидами 0,34 нм. Азотистые основания ориентированы к середине спирали.

Число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специфичны для каждого вида и частично – для каждой особи. Д.Уотсон ввел понятие о видовой специфичности ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют соотношение (А+Т):(Г+Ц).

Репликацией называют процесс самокопирования молекулы ДНК с точным соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего исходным комплементарным нитям. У многоклеточных организмов в результате слияния гамет при оплодотворении образуется зигота, в которой содержится наследственная информация гаплоидных геномов родительских особей. В онтогенезе из зиготы в результате митоза образуются миллиарды клеток, каждая из которых несет в себе всю генетическую информацию.

Репликация происходит в период синтеза (S-период) интерфазы митотического цикла. На отдельных участках молекулы ДНК образуются так называемые вилки репликации (участки молекулы ДНК, где расплетаются комплементарные нити). В этих местах водородные связи между азотистыми основаниями под действием соответствующих ферментов (ДНК-полимераз) разрываются, комплементарные нити разъединяются, и каждая из них становится матрицей, на которой происходит синтез дочерних нитей. Таким образом, ДНК способна самовоспроизводиться (реплицироваться, самокопироваться) и сохранять наследственную информацию, закодированную в ней в виде последовательности чередования нуклеотидных оснований, во множестве поколений клеток, образующихся в онтогенезе многоклеточного организма.

Структура молекулы РНК отличается от ДНК тем, что тимин (Т) заменяется урацилом (У), а дезоксирибоза – рибозой. Молекула РНК одноцепочечная. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК.

Виды РНК: матричная (мРНК, или информационная иРНК), рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК). Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК, как на матрице при участии фермента РНК-полимеразы.

Строение белка и его синтез.

Белкам принадлежит исключительно важная роль в жизнедеятельности каждой клетки (построение мембран, хроматина, рибосом, митохондрий). Первичная молекула белка представляет собой цепочку, состоящую из 100-300 различных аминокислот и более, порядок чередования которых определяет специфичность данной молекулы: каждая из 20 аминокислот может встречаться многократно, но местонахождение контролируется ДНК. В настоящее время для многих молекул белка установлена их первичная структура, то есть порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи.

Вторичная структура белковой молекулы зависит от первичной: аминокислоты в полипептидной цепи соединяются водородными связями между NH– и СО-группами, в результате чего она свертывается в так называемую альфа-спираль.

Третичная структура белковых молекул образуется в результате связывания так называемыми дисульфидными мостиками (S-S) двух цистеиновых остатков аминокислот.

Четвертичная структура белковых молекул характеризуется тем, что они состоят из двух-четырех различных, стабильно соединенных полипептидных цепей. Такая структура характерна для многих ферментов.

Вторичная, третичная, четвертичная структуры белковых молекул зависят от числа и порядка чередования аминокислот в полипептидной цепи, то есть от первичной структуры.

Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом. Он осуществляется под контролем молекулы ДНК, которая таким образом реализует закодированную в ней наследственную информацию. Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов – транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция – это процесс считывания информации с ДНК на иРНК во время ее синтеза (первый этап реализации генетической информации в клетках). Транскрипция происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая прикрепляется к начальной (инициальной) точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить мРНК. В результате транскрипции мРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.

В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется.

Следующий этап биосинтеза белка – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.

Трансляция (от лат. передача) – это синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК согласно генетическому коду. Генетический код – свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов; определяет последовательность включения аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь в соответствии с последовательностью нуклеотидов ДНК гена (или процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле). В узком смысле генетический код – это словарь кодонов (триплетов иРНК), кодирующих те или иные аминокислоты и знаки пунктуации белкового синтеза.

В 1964 году Дж.Маттей, Ф.Крик, М.Ниренберг, а затем С.Очао расшифровали генетический код. Триплет ДНК, или кодоген – это три соседних нуклеотида, которые несут информацию на включение одной из 20 основных аминокислот в полипептидную цепь белка. Триплеты – это не просто случайные группы трех нуклеотидов, а видовая специфичность молекул ДНК и РНК. Генетический код колинеарный, то есть четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидной цепи. Генетический код универсальный, триплетный, вырожденный, неперекрывающийся.

Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 76-85 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист. Три участка тРНК имеют особо важное значение: 1) антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, определяющий место прикрепления тРНК к соответствующему комплементарному кодону (мРНК) на рибосоме; 2) участок, определяющий специфичность тРНК, способность данной молекулы прикрепляться только к определенной аминокислоте; 3) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота. Он одинаков для всех тРНК и состоит из трех нуклеотидов – ЦЦА. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется тРНК и доставляется ею на рибосому.

Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субъединице рибосомы. Трансляция начинается со стартового кодона (инициатора синтеза) –АУГ. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субъединице рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов-терминаторов – УАА, УАГ или УГА. Начало синтеза полипептидной цепи называется инициацией, а окончание синтеза – терминацией.