Лекція - Матеріальні основи спадковості

1.doc (1 стор.)
Оригінал


Матеріальні основи спадковості


Спадковість - це властивість організмів передавати потомству і відтворювати батьківські ознаки в інших поколіннях.

Про природу спадковості впродовж історії людства висловлювалися найрізноманітніші припущення.


Канібали дикунських племен поїдали мозок, серце і печінка вбитого ворога, щоб успадкувати його розум і хоробрість (звичай зберігся до наших днів: самураї другої світової війни називали його кімоторі).

Корінні жителі Австралії, ще на початку нашого століття вважали, що і фізичні, і духовні якості людина одержує не від батьків, а від духа предка, який вселяється в нього при народженні, а до того чекає появи своєї смертної оболонки небудь в великому мурашнику або скелі химерної форми.

З розвитком цивілізації люди стали розуміти, що справа не в парфумах предків: предки відроджуються в нащадках лише тому, що передають по ланцюгу поколінь щось таке, що визначає їх ознаки. Виникли й перші родоводи - монархів, аристократів, собак і породистих коней.

^ Найдавніша з родоводів тварин зображена на уламку глиняного печатки, знайденої в межиріччі Тигру і Євфрату. На печатці чітко видно спадкові ознаки коней - прямий, опуклий і увігнутий профіль і особливості гриви (стирчить і звисаюча). Можливо, це не родовід, а свого роду звіт про схрещуванні для виведення найкращих порід коней.


Перші відповіді на питання спадковості з наукової точки зору дав чеський чернець ^ Грегор Мендель, викладав фізику і природну історію в середній школі міста Брно. Він вирощував запашний горошок і навіть не думав, що стане основоположником нової науки, творцем класичних законів генетики.

Робота Менделя в XIX в. пройшла непоміченою. Скромний учений-любитель на 35 років випередив сучасне йому розвиток науки. Лише в ^ 1900 р. закони Менделя були перевідкриття відразу трьома вченими - Г. де Фріз, К. Корренсом, Е. Чермак. Цей рік і вважається початковим для генетики.

Далі генетика розвивалася інтенсивними темпами і вже в першій половині ХХ століття були сформульовані її основні постулати.


1. Всі спадкові властивості живих організмів визначаються матеріальними, дискретними, тобто відокремлюваними один від одного, частками. Їх назвали генами. Саме гени передаються з покоління в покоління при діленні клітин.

2. При кожному діленні клітин гени повинні подвоюватися в числі. Інакше вони просто загубляться.

3. Гени у вищих організмів - еукаріотів - розташовані в ядрах клітин; лише небагато зустрічаються в цитоплазмі клітин і визначають так званий матроклінний тип успадкування - по жіночій лінії.

4. У ядрах гени лежать не «розсипом», а утворюють лінійні структури хромосоми, добре помітні в оптичний мікроскоп. У перекладі з грецької хромосома - забарвлене тіло. Їх дійсно вдається фарбувати за допомогою особливих методик, і тоді в делящихся клітин вони стають добре видимими під оптичним мікроскопом. Число хромосом варіює від двох (у малярійного плазмодія) до тисячі і більше (у деяких рослин і найпростіших). У бактерій хромосома 1, дуже коротка і згорнута у вигляді кільця. Людська хромосома в довжину близько метра, щоб поміститися в клітці їй доведеться дуже сильно скрутитися, на зразок клубка. У молодої, тільки що поділене клітини, хромосоми вже не видно.

5. При статевому розмноженні, при злитті чоловічої статевої клітини з жіночою, нащадок отримує один набір хромосом від батька, інший - від матері. Рідко спостерігається партеногенетичний розмноження (без запліднення), коли початок організму дає незапліднена яйцеклітина або клітка тіла (соматична).

6. При утворенні статевих клітин (гамет) число хромосом зменшується вдвічі. Нормальне (диплоидное число) відновлюється при злитті статевих клітин.

7. Парні хромосоми, одна з яких походить від материнського організму, а інша від батькового, називають гомологічними хромосомами. Розбіжність батьківських і материнських хромосом по новим гамет - процес випадковий. Це виключає ймовірність виникнення абсолютно однакового потомства.

8. Випадкове розбіжність хромосом при мейозі не єдина причина виникнення різноманітності в потомстві. Вишикувавшись попарно, гомологічні хромосоми можуть обмінюватися частинами. Цей процес одержав назву кросинговеру (перехрещення). В результаті гени, отримані від батька і матері (з різних гомологічних хромосом), можуть виявитися зчепленими в одній хромосомі.

9. Зрідка, з частотою в середньому 10 -5 на покоління, гени здатні змінюватися. Такі спадкові зміни назвали мутаціями. Вдалося встановити, що частота мутацій зростає при дії жорсткого випромінювання, наприклад рентгенівських променів і деяких хімічних речовин.

10. Випадкові перетворення генів призводять до того, що практично кожен ген виявляється представлений кількома різновидами. Ці форми генів назвали алелями.

11. Основний шлях успадкування - геномний, при якому інформація передається через хромосоми. Однак при зачатті материнська яйцеклітина, в десятки разів перевищує за розміром сперматозоїд, передає додаткову інформацію дочірній клітині. Таке спадкування називається цитоплазматическим. Відкриття останнього типу наслідування належить молекулярному генетику А.К. Вілсону. Тобто при народженні дитина отримує 50% генів від матері, 50% від батька і додаткову інформацію, що зберігається в цитоплазмі материнської яйцеклітини.

Вже у другій половині ХХ століття була відкрита епігеномний спадковість, інформація, яка передається іншими шляхами. Для ссавців характерне вплив на плід на ембріональному рівні. Будь-яка інфекція, хвороба, перенесена матір'ю, впливає на плід. Наприклад, якщо мати на перших місяцях перехворіла краснухою (досить нешкідливим, загалом, то захворюванням), у плода з 90% гарантією будуть спостерігатися серйозні відхилення у фізичному та психічному розвитку. Також можлива передача спадкової інформації за допомогою деяких вірусів, здатних вбудовуватися в геном клітини (лізогенів віруси).


У сорокових роках XX століття було встановлено, що матеріальним носієм спадкової інформації є нуклеїнові кислоти, і в першу чергу дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). Перші прямі докази ролі ДНК як хранителя генетичної інформації отримав О.Евері в 1944 році в експериментах з бактеріями.

ДНК локалізована в хромосомах вірусів, нуклеоїд бактерій, ядрах еукаріотів, а також в деяких цитоплазматичних структурах (мітохондріях, хлоропластах, плазмідах бактерій). У молекулах ДНК зашифровані усі ознаки, властиві даному виду організмів. І тільки у РНК-вмісних вірусів первинним генетичним матеріалом є РНК - РНК.

Структура молекули ДНК була відкрита в 1953 році Дж.. Уотсоном і Ф. Криком. Молекула ДНК являє собою полімер (полімерами хіміки називають довгі ланцюжки, що складаються і однакових або різних ланок мономерів). Мономерами ДНК є нуклеотиди (від латинського nucleus - ядро).

Кожен нуклеотид складається з трьох різних молекул: залишку фосфорної кислоти (фосфату), вуглеводу (дезоксирибози або рибози) та самого важливої ​​ланки - азотистої основи.

Якщо подивитися на хімічні формули азотистих основ, то можна побачити, що аденін має подібну будову з гуаніном (так звані пуринові азотисті основи або просто пурину). А цитозин - з тиміном (піримідинові підстави).

Оскільки у складі пентози є 5 атомів вуглецю, то кожен з них можна пронумерувати індексом від 1 до 5. У кожному нуклеотиде азотна основа завжди приєднується до першого вуглецевого атома. А формування лінійного ланцюжка ДНК відбувається при з'єднанні пентози одного нуклеотиду з фосфатом іншого. У цьому процесі беруть участь 3 і 5 вуглецевий атом пентози. У підсумку кожна ланцюжок буде мати «головний» - 5  і «хвостової» - 3  кінець.

Згідно моделі Уотсона-Кріка молекула ДНК складається з 2 антипаралельних ланцюжків, закручених один щодо одного. При цьому будь аденін, розташований на одного ланцюга, з'єднується з протилежним йому тиміном на інший ланцюжку, а гуанін - з цитозином. Такий принцип з'єднання двох ланцюжків ДНК отримав назву принципу комплементарності. З цієї причини в будь-якому зразку ДНК молярне зміст тиміну відповідає молярному змістом аденіну, а гуаніну - цитозин (правило еквівалентності Чаргаффа). А співвідношення пар А-Т і Г-Ц має значні коливання при порівнянні зразків ДНК організмів різних видів.

^ В останні роки були отримані дані про існування у вірусів одноцепочной ДНК.

Що ж пов'язує одиничні ланцюги подвійної спіралі в молекулі ДНК? Між комплементарними азотистими підставами утворюються так звані водневі зв'язку з участю електропозитивний водню (протона) і якогось електронегативного центру (кисню, азоту). Для існування життя водневі зв'язки мають архіважлива значення: вода кипить лише при досягненні 100 ° С тільки тому, що молекули її пов'язані один з одним зв'язками між кисневими та водневими ядрами. Зникни ці зв'язки - і всі океани на Землі скипіли б.

Водневі зв'язки набагато слабкіше ковалентних; тому подвійна спіраль розпадається на комплементарні половинки, якщо розчин ДНК подщелочив або нагріти до 100 ° С. Цей процес називається денатурацією і він звернемо. Якщо знизити рН розчину або знизити температуру, половинки ДНК, стикаючись в хаотичному тепловому русі, в кінці кінців знаходять один одного, пари А-Т і G-С відновлюються, і знову виникають подвійні спіралі.


У популярній літературі ДНК часто порівнюють з дуже довгим текстом. Тільки текст ДНК написано не тридцятьма трьома «буквами», а всього лише чотирма. Їх роль то й грають азотисті основи: аденін, тимін, гуанін і цитозин (вони позначаються відповідно великими літерами А, Т, Г, Ц). Кожний нуклеотид молекули ДНК містить одне з перелічених підстав.

Кожен з нас складається приблизно з 10 15 клітин. Кожна клітина являє собою мініатюрну фабрику для виробництва білків. Саме білкові молекули лежать в основі всіх процесів життєдіяльності організму, і саме їх склад і будову визначають індивідуальність організму.

Функції білків в клітинах дуже різноманітні. Скорочується м'яз, працює мозок, бореться організм з потрапили в нього бактеріями або вірусами, перетравлюється в шлунку і кишечнику їжа, бактерія роз'їдає камінь - у всіх різноманітних процесах головну роль грають білки.

Молекули білків нагадують довгі ланцюжки бус, в яких роль окремих ланок грають 20 різних амінокислот, здатних з'єднуватися між собою в будь-якому порядку. Число різних варіантів білків, складених лише з п'яти амінокислот, вже перевищує три мільйони. До складу ж середнього білка входить 100-200 амінокислот. Зрозуміло, що різноманітність ланцюжків такий довжини вимірюватиметься вже астрономічними числами.

Інформація про амінокислотним складом білків організму закодована в молекулах ДНК. Кожні три послідовних нуклеотиду молекули ДНК кодують одну амінокислоту (так звані триплети).

При зміні навіть одного нуклеотиду клітина почне виробляти білок, в якому одна амінокислота замінюється на іншу. Якщо ж амінокислота грає в даному білку ключову роль, його робота буде істотно порушена: в кращому випадку клітина виявиться нездатною виконувати необхідну роботу, а в гіршому - почне при цьому безконтрольно розмножуватися, що послужить початком утворення пухлини.


У вищих організмів - еукаріотів - білки утворюються в цитоплазмі клітини, а гени приховані за оболонкою ядра. Тому ДНК безпосередньо не може бути матрицею для біосинтезу білка. Цю роль виконує інша нуклеїнова кислота - рибонуклеїнова (РНК).

РНК відрізняється від ДНК за багатьма властивостями, але за складом майже не відрізняється. Замість дезоксирибози РНК складають рибози, а також замість азотистого підстави тиміну присутній його аналог урацил, що відрізняється від тиміну тільки тим, що у нього немає метильної групи СН 3. Однак РНК практично завжди складається з однієї полінуклеотидних ланцюга, хоча може утворювати комплементарну подвійну спіраль з породила її однонитчатим ДНК.

Матрицею для синтезу РНК служить одна з ланцюгів двоспіральної ДНК, яка в цей момент розплітається. Молекулярні біологи назвали процес копіювання інформації з ДНК на РНК транскрипцією (переписуванням).

Такі РНК можна порівняти з кресленнями, які надходять в цех заводу (в нашому випадку цитоплазму), тоді як основні креслення залишаються в конструкторському бюро - ядрі. В молекулярної біології такі РНК називають інформаційними або матричними.

Процес транскрипції забезпечується комплексною дією ряду ферментів, серед яких найважливіша роль належить РНК-полімерази, що ініціює цей процес.


До 70-м рокам ХХ сторіччя спільними зусиллями вчених багатьох країн вдалося розшифрувати генетичний код, тобто з'ясувати, які амінокислоти кодує кожний з 64 теоретично можливих кодонів матричної РНК. Всього до складу білків входить 20 амінокислот, а триплетів, їх кодують - 61. Тобто кожна кислота може кодуватися кількома триплетами, з точки зору генетичного коду мають одне і теж значення. Такі триплети стали називати триплетами-синонімів і, а сам генетичний код - виродженим. Щось схоже було в старій російській абетці - там теж були різні літери, читаються однаково: i і «і». Генетичний код вироджений нерівномірно - для кодування аргініну, наприклад, можуть використовуватися 6 кодонів, а метіонін кодується тільки одним.

Також було виявлено три триплетів, які взагалі не кодують інформацію про АМК, зате можуть зупиняти процес зчитування інформації, тобто своєрідні «розділові знаки». Їх назвали «стоп-триплетами».

До числа інших властивостей генетичного коду відносяться його неперекриваемость, тобто один нуклеотид не може одночасно входити до складу 2 і більше кодонів.

Генетичний код виявився універсальний для всієї живої природи: від бактерій до людини. Лише в особливих внутрішньоклітинних структурах, мітохондріях, що постачають клітини еукаріотів енергією, знайдені незначні відхилення від загального коду. Універсальність генетичного коду має величезне практичне значення. З нього випливає, що гени одного організму можуть бути перенесені в будь-який інший організм.


Вже після того, як генетичний код був розшифрований, хіміки помітили, що між триплетами в матричної РНК і АМК не спостерігається ніякого хімічної спорідненості. Звідси був зроблений висновок про існування якоїсь молекули-посередника, яка дізнається одночасно і трійку нуклеотидів і кодованих ними АМК. Таким посередником виявилася також молекула РНК, яка отримала назву транспортної РНК.

Т-РНК на одному з кінців має послідовність нуклеотидів, комплементарних триплету генетичного коду (т.зв. антикодон), а на іншому - місце для приєднання потрібної АМК.

Зустріч т-РНК, що несе на собі свою АМК, і і-РНК, несе інформацію про структуру всього білка, відбувається на спеціальних клітинних органелах - рибосомах. Саме на рибосомах і відбувається синтез білків (трансляція).


^ Сучасні уявлення про структурно-функціональної організації генів

Під геном в рамках класичної генетики розуміють структурну одиницю, визначальну елементарний ознака організму (фен). Сукупність усіх генів окремого індивідуума називають його генотипом. Зовнішні прояви цієї інформації складаю т фенотип (від грецького phaino - являю). Фенотип - сукупність ознак організму, які можна зареєструвати, зважити, виміряти.

Терміном «геном» прийнято позначати сукупність усіх генетичних елементів (ДНК хромосом, мітохондрій, плазмід), є постійними для організмів даного виду.

Розміри геномів мають суттєві відмінності в організмів, що стоять на різних рівнях еволюційного розвитку.


За існуючими сучасними уявленнями структурні гени прокаріотів (бактерій) представлені ділянками молекули ДНК, вся інформація яких використовується при синтезі кодованих поліпептидних ланцюжків.

У деяких дрібних вірусів була виявлена ​​незвичайна організація генетичного матеріалу у формі перекриваються генів (за принципом «ген в гені»), яка дозволяє здійснювати ще більш економне використання обмежених інформаційних можливостей геному. Зчитування інформації перекриваються генів починається з різних стартових точок однієї і тієї ж нуклеотидної послідовності, тобто є різні рамки зчитування цієї послідовності.

На відміну від прокаріотів для еукаріот типовим є переривчастий характер організації генів. Гени еукаріот складаються з ділянок ДНК, що несуть інформацію про структуру білка (екзонів) і інертних нуклеотидних послідовностей (інтронів), не приймають прямої участі в кодуванні білкової молекули. Тобто гени еукаріотичних організмів являють собою мозаїку з декількох чергуються в певному порядку екзонів і інтронів. Розміри інтронів у складі таких генів коливаються від 10 до понад 1000 пар нуклеотидів.

Цікаво відзначити, що спочатку інформація зчитується РНК як з інтронів, так і з екзонів, проте потім молекула РНК піддається впливу певних ферментів, які вирізують інтрони і знову зшивають фрагменти нитки і-РНК. Цей процес одержав назву сплайсингу.

Передбачається, що інтрони істотно впливають на процеси рекомбінації між гомологічними генами. Можна вважати, що такі властивості інтронів повинні прискорювати еволюцію білкових молекул, полегшуючи процеси еволюції еукаріотів в цілому, що дає їм значні переваги в порівнянні з прокаріоти.

Однією з особливостей генетичної організації еукаріотів є також присутність в їх геномах значного числа повторюваних генів. Так, наприклад, в гаплоидном геномі людини, що містить близько 3 • 10 9 пар нуклеотидів, повторювані послідовності ДНК становлять приблизно 30%.


Незабаром після розгадки генетичного коду вчені замислилися над питанням: що «запускає» в клітці одні гени і «вимикає» роботу інших?

Наприклад, ген, що кодує травний білок - пепсин, задіяний тільки в спеціалізованих клітинах слизової оболонки шлунка. Що було б, якби він включився в клітинах нервової системи, людина попросту переварив б свій мозок.

Значить, повинна існувати якась система регуляції, що включає в певний час одні гени і вимикає інші.

При кожному структурному гені (кодований певний білок) повинні бути послідовності, що визначають, коли, за яких умов цей ген повинен бути транскрибувати, скільки актів транскрипції потрібно зробити і коли він повинен замовкнути. Мало того, гени-регулятори повинні бути якось пов'язані один з одним. Тільки в цьому випадку одна клітина перетвориться в еритроцит, а інша в нейрон - клітину нервової системи.


До числа регуляторних елементів гена відносяться:


Білки-активатори і білки-репресор також повинні бути закодовані в якихось генах. Такими генами є гени-регулятори.

Часто кілька генів, що кодують білки для взаємопов'язаних процесів, бувають згруповані разом і мають спільні регуляторні елементи. Подібна сукупність генів із загальною системою регуляції отримала назву оперона.


Згідно представленням, що склалися в рамках класичної генетики, всі геноми характеризуються стабільністю і піддані дуже повільним еволюційним перетворенням.

Однак в останні роки в геномах і прокаріотів і еукаріотів виявлені фрагменти ДНК, які можуть переміщатися як у межах одного геному, так і з одного генома в інший: це транспозіруемие гени або транспозони. Здатність до транспозиції пов'язана з їх можливістю включення (інтеграції) в різні місця хромосом і позахромосомних молекул ДНК і виходу («вирізування») з цих ділянок. За відкриття транспозон Барбара Мак-Клінток була удостоєна Нобелівської премії в 1983 році, оскільки це відкриття докорінно перевернула уявлення класичної генетики.


Інтегруючись по сусідству з деякими генами, транспозони можуть робити істотний вплив на їх експресію. Так, в організмі людини, комбінаторне об'єднання транспозон в геномі лімфоцитів дозволяє цим клітинам створювати величезну різноманітність антитіл.

Деякі паразити, навпаки, завдяки транспозони, змінюють свої гени місцями, що дозволяє їм вислизати від контролю імунної системи господаря.

В якості джерела мобільних структур геному можна розглядати геномну ДНК різних вірусів, які здатні інтегруватися в ті чи інші ділянки ДНК бактерій і еукаріот і деякий час існувати там у формі провіруси, тобто як складова частина генетичної структури клітини-хазяїна. При подальшому неправильному (неточному) «вирізуванні» з генома хазяїна вірус залишає в ньому ті чи інші фрагменти власного геному і набуває окремі ділянки генетичного матеріалу хазяїна.

Стає очевидною також роль транспозонів у розвитку ряду захворювань тварин і людини (лейкози птахів і ссавців, злоякісні новоутворення, СНІД тощо)




Навчальний матеріал
© uadoc.zavantag.com
При копіюванні вкажіть посилання.
звернутися до адміністрації