Тема 7. Молекулярные основы наследственности

В данном разделе изучаются следующие вопросы: струк­тура и функции нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); генетичес­кий код и его основные свойства; строение, функции и основ­ные свойства гена; строение и функционирование генетичес­кого материала у прокариот (бактерий, вирусов, фагов, плаз­мид).

Необходимо вначале ознакомиться с экспериментами Ф. Гриффита и О. Эвери по генетической трансформации у пневмококков, в которых было доказано, что генетическая ин­формация обусловлена дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК).

Важным открытием в молекулярной генетике явилось ус­тановление Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры молекулы ДНК в виде двойной спирали.

ДНК является полимером, состоящим из мономеров — нуклеотидов, которые различаются только одним из четырех азотистых оснований (аденин-А, гуанин-Г, цитозин-Ц, тимин-Т). Обратите внимание на правило Чаргаффа, согласно которому нити ДНК соединяются между собой на основе вза­имодополняемости (комплементарности) этих оснований (А—Т, Г—Ц). Именно этот принцип лежит в основе репликации (самоудвоения) ДНК — каждая одиночная нить как бы достраивает дочернюю комплементарную нить. У всех жи­вых организмов основные черты строения ДНК одинаковы, а ее специфичность определяется различной последовательнос­тью азотистых оснований.

После ознакомления со строением и особенностями реп­ликации ДНК переходите к изучению строения, типов и функ­ций РНК. Выясните при этом основные отличия РНК от ДНК. Обратите внимание на размеры молекул разных типов РНК.

В соответствии с центральной догмой Ф. Крика, генетиче­ская информация от гена к молекуле белка передается по схе­ме:

После изучения этих вопросов необходимо внимательно ознакомиться с проблемой генетического кода и биосинтеза белка. В 50—60 годы были установлены основные понятия генетического кода: нуклеотид ДНК или РНК — это «буква языка»; триплет или кодон (три нуклеотида) — «Слово язы­ка»— соответствует аминокислоте, а ген (около 1000 пар азо­тистых оснований) — «фраза», в соответствии с которой син­тезируется полипептидная цепь. Генетический код состоит из 64 триплетов (4³ = 64), кодирующих 20 аминокислот (см. учебник 1).

Ознакомившись с генетическим кодом синтеза белка, рас­смотрите процесс синтеза полипептидной цепи аминокислот в цитоплазме. В нем участвуют рибосомы, и-РНК, т-РНК, фер­менты. Это последний этап перехода генетической информа­ции от гена к структуре белка, или трансляция.

Пример. В одной из цепочек молекулы ДНК (матричная нить) нуклеотиды чередуются следующим образом: Т—Г—Ц—А—Ц—Г—Т—Т—А—Ц—Г—Г. Выясните, какова последо­вательность нуклеотидов в другой (комплементарной) нити этой же молекулы ДНК. Проведите транскрипцию и трансля­цию генетической информации. Выясните, как изменится сос­тав первичной структуры белка, если в матричной цепочке ДНК произойдет мутация вставки нуклеотида Ц между треть­им и четвертым нуклеотидами

Для решения задачи необходимо ознакомиться со слова­рем генетического кода. Обратите внимание на то, что одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими три­плетами (кодонами) — двумя, четырьмя, шестью. При реше­нии задач следует использовать лишь один из имеющихся три­плетов (любой).

Решение.

1. Построим другую цепочку этой же молекулы ДНК

2. Проведем считывание генетической информации с мат­ричной нити ДНК (транскрипцию), а также трансляцию этой
информации с помощью словаря генетического кода

3. В ходе плюс-мутации произошла вставка нуклеотида Ц между третьим и четвертым нуклеотидами. В результате трансляции изменится и-РНК, а также набор аминокислот в полипептидной цепи белка.

В целях закрепления этого материала решите несколько задач, имеющихся в вопросах для контрольной работы (№ 112—117) и в практикуме по генетике (2).

В современном понимании ген представляет собой целост­ную структуру, состоящую из определенного участка ДНК. Он является элементарной единицей наследственности, стойко воспроизводящейся в поколениях и контролирующей развитие определенного признака. Особое внимание обратите на основ­ные свойства гена, а именно:

1) постоянство (стабильность ДНК, стабильность феноти­па);

2) дискретность (существование конкретного гена как строго очерченного участка ДНК на фоне непрерывной после­довательности нуклеотидов в молекуле ДНК);

3) аллельность (существование гена в двух или несколь­ких состояниях, имеющих различное фенотипическое проявле­ний;

4) другие свойства (градуальность, специфичность, способ­ность к плейотропии и полимерии).

Отметьте, что в составе генов имеются транскрибируемые участки, несущие информацию о структуре белка (экзоны); участки, не несущие такой информации (интроны); а также регуляторные участки для опознания гена и точки начала счи­тывания при транскрипции.

Важным вопросом этого раздела является генетическая инженерия. Ее задачи связаны с получением генов путем их синтеза или выделения из одних клеток и последующего переноса таких генов и генетических структур или их копий в дру­гие клетки. Таким методом уже созданы культуры бактерий, продуцирующие аминокислоту триптофан, гормоны: соматостатин, инсулин и интерферон и др. Изучите также другие направления генетической инженерии и их практическое зна­чение (соматическая гибридизация, пересадка ядер и клеток, трансплантация зигот и эмбрионов и др.).

[1], [2], [3], [4], [6], [7], [12]