Доказательства роли ДНК в наследственности

Пра́вила  Ча́ргаффа — система эмпирически  выявленных правил, описывающих количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК. Правило Э.Чаргаффа - биологический закон, в соответствии с которым в любых молекулах ДНК молярная сумма пуриновых оснований (Аденин + Гуанин) равна сумме пиримидиновых оснований (Цитозин + Тимин).

 

Видовая специфичность молекулы ДНК обусловлена

определенной  последовательностью нуклеотидов  в молекуле .Из днк состоят хромосомы, у каждого вида живых существ  свой специфический набор хромосом

Каждому животному, как и растению, свойственно определённое количество хромосом с вполне конкретной последовательностью молекул ДНК. Иногда, вследствие мутаций (случайных изменений в структуре ДНК), организм получает свойства, не являющиеся нормой для данного вида. Например, отсутствие конечностей у высших млекопитающих. Некоторые генетические заболевания, встречающиеся довольно регулярно, имеют причину в увеличении или уменьшении числа хромосом в клетке.

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).

 

 

 

 

5

РНК — полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ:

1) азотистого  основания,  
2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и  
3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов. 

Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.

Выделяют три вида РНК:

1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК),  
2) транспортная РНК — тРНК,  
3) рибосомная РНК — рРНК.

Все виды РНК представляют собой неразветвленные  полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синт

Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке.

Функции тРНК:

1) транспорт  аминокислот к месту синтеза  белка, к рибосомам,  
2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3'-концу акцепторного стебля.

Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.

Рибосомные РНК содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000-1 500 000. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках.

Функции рРНК:

1) необходимый  структурный компонент рибосом  и, таким образом, обеспечение  функционирования рибосом;  
2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК;  
3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания,  
4) формирование активного центра рибосомы.

Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.

Функции иРНК:

1) перенос  генетической информации от ДНК к рибосомам,  
2) матрица для синтеза молекулы белка,  
3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы

Чем отличаются составы нуклеотидов ДНК и РНК?

РНК построена  из тех же азотистых оснований, что  и ДНК, но вместо тимина в ее состав входит урацил. Кроме того, углевод нуклеотидов РНК представлен рибозой. 
Как происходит соединение нуклеотидов между собой в полинуклеотидной цепи? 
В полинуклеотидной цепи соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между дезоксирибозой (в молекуле ДНК) или рибозой (в молекуле РНК) одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. 
Чем объясняется огромное разнообразие генов в составе молекулы ДНК?  
Хотя ДНК содержит всего четыре типа разных нуклеотидов, благодаря различной последовательности их расположения в длинной цепочке достигается огромное разнообразие их сочетаний в молекуле.

Признаки	ДНК	РНК
Местонахождение в клетке	ядро, митохондрии, пластиды	ядро, цитоплазма, рибосомы, митохондрии, пластиды
Роль в клетке	химическая основа хромосомного генетического материала (генов);  матрица для синтеза ДНК;  матрица для синтеза РНК;  информация о структуре белка	иРНК передает код  наследственной информации о первичной  структуре белка;  рРНК входит в состав рибосом;  тРНК переносит аминокислоты к рибосомам;  митохондриальная и пластидная ДНК входят в состав этих органоидов
Строение	двойная спираль: две  комплементарные полинуклеотидные цепи	одинарная полинуклеотидная цепь
Мономеры	дезоксирибонуклеотиды	рибонуклеотиды

 

6

Вирусы —  это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют в  пределах от 20 до 300 нм; в среднем  они раз в пятьдесят меньше бактерий. Их нельзя увидеть с помощью  светового микроскопа, и они проходят через фильтры, не пропускающие бактерий. Происхождение вирусов Исследователи часто задаются вопросом, живые ли вирусы? Если считать живой любую структуру, обладающую генетическим материалом (ДНК или РНК) и способную к самовоспроизведению, то ответ должен быть утвердительным: да, вирусы — живые. Если же признаком живого считать наличие клеточного строения, то ответ будет отрицательным: вирусы не живые. К этому следует добавить, что вне клетки-хозяина вирусы неспособны к самовоспроизведению. Для более полного представления о вирусах необходимо знать их происхождение в процессе эволюции. Существует предположение, хотя и недоказанное, что вирусы — это генетический материал, некогда «сбежавший» из прокариоти-ческих и эукариотических клеток и сохранивший способность к воспроизведению при возвращении в клеточное окружение. Вне клетки вирусы находятся в совершенно инертном состоянии, однако они обладают набором инструкций (генетическим кодом), необходимых для того, чтобы вновь проникнуть в клетку и, подчинив ее своим инструкциям, заставить производить много идентичных себе (вирусу) копий. Следовательно, логично предположить, что в процессе эволюции вирусы появились позже клеток. Строение вирусов Строение вирусов очень простое.

Они состоят  из следующих структур: 1) сердцевины — генетического материала, представленного  либо ДНК, либо РНК; ДНК или РНК  может быть одноцепочечной или двухцепочечной; 2) капеида — защитной белковой оболочки, окружающей сердцевину; 3) нуклеокапсида — сложной структуры, образованной сердцевиной и капсидом; 4) оболочки — у некоторых вирусов, таких как ВИЧ и вирусы гриппа, имеется дополнительный липопротеиновый слой, происходящий из плазматической мембраны клетки-хозяина; 5) капсомеров — идентичных повторяющихся субъединиц, из которых часто бывают построены капсиды. Общая форма капсида отличается высокой степенью симметрии, обусловливая способность вирусов к кристаллизации. Это дает возможность исследовать их как методом рентгеновской кристаллографии, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине образуются субъединицы вируса, они сразу же могут путем самосборки объединиться в полную вирусную частицу. Упрощенная схема строения вируса показана на рисунке. Для структуры капсида вируса характерны определенные типы симметрии, особенно полиэдрическая и спиральная. Полиэдр — это многогранник. Наиболее распространенная полиэдрическая форма у вирусов — икосаэдр, у которого имеется 20 треугольных граней, 12 углов и 30 ребер. На рисунке, А мы видим правильный икосаэдр, а на рисунке, Б — вирус герпеса, в частице которого 162 капсомера организованы в икосаэдр. Наглядной иллюстрацией спиральной симметрии может служить показанный на рисунке, РНК-содержащий вирус табачной мозаики (ВТМ). Капсид этого вируса образован 2130 идентичными белковыми капсомерами. ВТМ был первым вирусом, выделенным в чистом виде. При заражении этим вирусом на листьях больного растения появляются желтые крапинки — так называемая мозаика листьев (рис. 2.18, В). Вирусы распространяются очень быстро либо механически, когда больные растения или его части приходят в соприкосновение со здоровыми растениям, либо воздушным путем с дымом от сигарет, для изготовления которых были использованы зараженные листья. Вирусы, атакующие бактерий, образуют группу, называемую бактериофагами или просто фагами. У некоторых бактериофагов имеются четко выраженная икосаэдрическая головка и хвост, обладающий спиральной симметрией). На рисунке приводятся схематические изображения некоторых вирусов, иллюстрирующие их относительные размеры и общее строение. - Читать далее "Жизненный цикл бактериофага.

 

Геном вирусов

Геном вирусов включает:

– Структурные гены, которые  кодируют белки. Занимают примерно 95 % вирусной хромосомы. Белки вирусов можно разделить на несколько групп: структурные, ферменты, регуляторы.

– Регуляторные последовательности, которые не кодируют белки: промоторы, операторы и терминаторы.

– Прочие некодирующие участки (сайты), в том числе:

– участок attP, обеспечивающий интеграцию вирусной хромосомы в хромосому клетки–хозяина;

– участки cos – липкие концевые участки линейных вирусных хромосом, обеспечивающие замыкание линейной хромосомы в кольцевую форму.

Гены, кодирующие рРНК и  тРНК, в геноме вирусов обычно отсутствуют. Однако в геноме крупного фага Т4 имеются гены, кодирующие несколько тРНК.

Геном вирусов отличается высокой плотности упаковки информации. Например, у фага φХ174 в пределах одного гена может располагаться  еще один ген. В частности, ген В находится в пределах гена А, а ген Е – в пределах гена D. У мелкого РНК-содержащего фага f2 ген регуляторного белка, блокирующего лизис (созревание вирионов и разрушение клетки), перекрывается с двумя другими генами, удаленными друг от друга. 

 

7

Организация генома прокариот

Прокариоты. Геном  прокариот. Лактозный оперон 

 

Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Его функции выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие от ядра, нуклеоид не имеет собственной оболочки.

Тело прокариот, как правило, состоит из одной клетки. Однако при неполном расхождении делящихся клеток возникают нитчатые, колониальные и полинуклеоидные формы (бактероиды). В прокариотических клетках отсутствуют постоянные двумембранные и одномембранные органоиды: пластиды и митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и их производные. Их функции выполняют мезосомы – складки плазматической мембраны. В цитоплазме фотоавтотрофных прокариот имеются разнообразные мембранные структуры, на которых протекают реакции фотосинтеза. Иногда их называют бактериальными хроматофорами.

Специфическим веществом  клеточной стенки прокариот является муреин, однако у некоторых прокариот муреин отсутствует. Поверх клеточной стенки часто имеется слизистая капсула. Пространство между мембраной и клеточной стенкой служит резервуаром протонов при фотосинтезе и аэробном дыхании.

Размеры прокариотических клеток изменяются от 0,1-0,15 мкм (микоплазмы) до 30 мкм и более. Большинство  бактерий имеет размеры 0,2-10 мкм. У  подвижных бактерий имеются жгутики, основой которых служит белки флагеллины. 

Транспортируемые генетические элементы 

 

Транспозируемые (подвижные, мигрирующие, транслоцируемые) генетические элементы —это сегменты ДНК, способные к перемещению  в пределах одного генома или с  одного генома на другой.

У прокариотов  Транспозируемые генетические элементы представлены сегментами ДНК двух типов  — инсерционными последовательностями (IS) и транспозонами (Тп). 

 

 

Инсерционные  последовательности ДНК представляют собой последовательности, состоящие из 768-5000 пар азотистых оснований. Они обнаружены в плазмидах, фагах, бактериальных хромосомах, причем встречаются так часто, что многие исследователи считают их нормальными компонентами бактерий. Инсерционные последовательности (IS1, IS2, IS4, IS5, IS102 и др.) в большинстве своем многокопийны. Они перемещаются с высокой частотой. Их миграция происходит на основе генетической рекомбинации.

Транспозоны организованы значительно сложнее, нежели ин-серционные последовательности (рис. 109). В упрощенном виде можно сказать, что транспозон представляет собой сегмент ДНК, середина которого представлена геном или генами устойчивости, а фланги — инсерционными последовательностями, обеспечивающими его передвижение. Размеры транспозонов — 2000-20 500 пар азотистых оснований. Для транспозонов характерны значительные инвертированные повторы.

Транспозируемые элементы клеток-прокариот перемещаются по маршруту хромосома ® плазмида ® другая плазмида ® хромосома. Перемещение  транспозонов обеспечивается специализированным репликативным процессом, который не связан с генерацией экстрахромосомных форм. В экспериментальных условиях любой транспозон можно включить практически в любую плазмиду.

Генетические  элементы, сходные с транспозируемыми, существуют также в клетках эукариотов, где они представлены разными повторяющимися последовательностями ДНК. Одни из этих элементов транспозируются в результате повторного включения (реинсерции) в геном продукта реверсивной транскрипции (копии РНК). Такие элементы получили название ретроэлементов. Напротив, другие элементы транспозируются прямо через копии ДНК.

Наиболее известными ретроэлементами являются ретротранс-позоны с короткими терминальными повторами. Такими являются ретротранспозоны I или R2 у дрозофил, Line — у млекопитающих, ingi — у трипаносом. Копии этих ретротранспозонов кодируют белки, необходимые для обратной транскрипции, т. е. их транспозиция осуществляется с использованием РНК в качестве интермедиата. К этой категории ретроэлементов принадлежат также последовательности с длинными терминальными повторами, в частности последовательности copia и gypsi у дрозофил, TY-фактор дрожжей и LI — элементы у млекопитающих. У этих последовательностей повторы достигают 500 пар оснований. Наконец, ретротранспозонами многие считают также последовательности, которые, помимо инсерционной способности, обладают инфицирующими свойствами, например, отдельные ретровирусы (лейкоза птиц, лейкемии млекопитающих, иммунодефицита млекопитающих).