Кодирование наследственной информации

Кроме ДНК  в клетке имеется РНК - рибонуклеиновая  кислота, которая является также  полимером, мономерами которого будут  нуклеотиды.

В отличие  от ДНК РНК - это: одноцепочная молекула; только у вирусов РНК - двухцепочная; вместо сахара дезоксирибозы в РНК  входит сахар рибоза; в состав нуклеотидов входит азотистое основание урацил вместо тимина;

4) состоит  из меньшего количества нуклеотидов,  чем ДНК.

В зависимости  от выполняемых функций РНК бывают несколько видов:

• и-РНК - информационная или матричная РНК - переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, она составляет ~ 1% от общего содержания РНК.
• т-РНК (транспортная) переносит аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы, на долю т-РИК приходится около 10% от общего количества РИК клетки.
• р-РНК (рибосомальная)- составляет одну из субъединиц рибосомы, на ее долю приходится около 90% от всех РНК клетки.

                             

                                             Транскрипция и трансляция

 

ДНК - носитель генетической информации. Впервые понятие  ген было сформулировано в 1941 году Д. Бидлом и Э. Татумом. В настоящее  время геном называют участок  молекулы ДНК, кодирующий первичную  структуру полипептида. ДНК непосредственного  участия в синтезе белков не принимает. В клетках человека молекулы ДНК  находятся в ядре и отделены ядерной  мембраной от цитоплазмы, где проходит синтез белка. Информацию несет посредник  – и-РНК, который по принципу комплементарности  считывает (копирует) с ДНК информацию при участии фермента РИК-полимеразы. Переписывание последовательности нуклеотидов или генетической информации происходит с одной нити ДНК и  называется транскрипцией (лат. transcriptio - переписывание). Если в переписываемой нити ДНК стоит нуклеотид гуанин (Г), то фермент РНК - полимераза включает в и-РНК комплементарный цитозин (Ц); если стоит аденин (А), фермент  включает урацил (У). По длине каждая из молекул и-РНК в сотни раз  короче ДНК. Информационная РНК является копией не всей молекулы ДНК, а только ее части - одного гена, несущего информацию о структуре белка. Готовая и-РНК  отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белка. Существует механизм «узнавания» выбора цепи ДНК  для транскрипции - это система  «оперона».

Она состоит  из генов:

1) ген-активатор,  к которому присоединяется фермент  РНК-полимераза;

2) ген-промотор, указывает место транскрипции, с  его помощью выбирается участок  ДНК, который под действием  фермента раскручивается;

З) ген-начала синтеза - ТАЦ;

4) ген-оператор - управляющий работой генов, наращиванием  цепи и-РНК, продвижением фермента PHK-полимеразы по цепочке ДНК;

5) ген-терминатор-участок  ДНК, прекращающий транскрипцию - АТЦ, АТТ, АЦТ.

Благодаря процессу транскрипции в клетке осуществляется передача информации от ДНК к белку  по цепочке: ДНК - и-РНК- белок 

Перевод информации с и-РНК на последовательность аминокислот называется трансляцией (от лат. translatio - передача), которая происходит на рибосомах.

 

Генетический код

 

Генетический  код - это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью  СТРОГО определенной последовательности расположения нуклеотидов в ДНК  и и-РНК. Участок молекулы дик, состоящий  из 3-х нуклеотидов, называется триплетом  или кодоном.

Каждому триплету соответствует определенная аминокислота. Из 4 нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин, цитозин) можно создать 64 различных комбинации по 3 нуклеотида в каждой. Эти 64 триплета кодируют 20 аминокислот. Поэтому аминокислота кодируется несколькими триплетами, только метионин - одним триплетом - АУГ и триптофан УГГ. Эта множественность  кода необходима для надежного хранения информации.

Свойства  генетического кода:

1. Специфичность-  каждый кодон шифрует ТОЛЬКО  одну определенную аминокислоту;

2. Универсальность  - один триплет кодирует одну  и ту же аминокислоту у всех  живых организмов. Это говорит  о единстве всего живого на  Земле;

3. Код  непрерываем - каждый триплет  передается по наследству целиком,  не разрываясь на нуклеотиды, и переписывание информации происходит  строго потриплетно;

4. Триплеты  УАА, УАГ, УГА обозначают конец  синтеза, т.к к ним нет аминокислот.  Они находятся на конце каждого  гена.

В ДНК  запрограммирована вся наследственная информация, и-РНК переписывает информацию с участка ДНК (гена) и переносит  ее в цитоплазму на рибосому. У эукариот и-РНК еще незрелая. Поэтому в  ядре и при выходе и3 него происходит его процессинг - дозревание (вырезание  неактивных участков и др. процесс), поэтому и-РНК укорачивается 

Дозревшая и-РНК переносит информацию о  синтезе белка в рибосому. Информация закодирована в виде триплетов ОДИН триплет (кодон) кодирует одну аминокислоту, а последовательность триплетов  и-РНК кодирует последовательностъ аминокислот в белковой молекуле.

Генетический  код индивидуален для каждого  организма, он может быть идентичен  только однояйцовых близнецов.

 

Биосинтез белка

 

Проходит  в рибосоме, к которой подходит и-РНК, прикрепляется в функциональной зоне рибосомы. Одновременно в рибосоме помещается 2 триплета и-РНК.

В цитоплазме клетки всегда имеется не менее 20 различных  видов аминокислот и соответствующих  им т-РНК. С ПОМОЩЬЮ специфических  ферментов аминокислоты узнаются, активируются и при соединяются к т-РНК, которая  переносит их к месту синтеза  белка в рибосому. В рибосоме (в  и-РНК) находится кодон, а у т-РНК  есть антикодон, комплементарный строго определенному триплету и-РНК.

Если  в рибосоме на и-РНК будет триплет  АУГ, то к нему подойдет т-РНК с  комплементарным антикодоном УАЦ; если ГГГ - то т-РНК С антикодоном  ЦЦЦ. Каждому антикодону соответствует  своя аминокислота.

Аминокислоты  проталкиваются в функциональную зону рибосомы одна за другой соответственно кодону и прикрепляются друг к  другу пептидной связью. Эта реакция  осуществляется в большой субъединице  рибосомы.

Т-РНК  вытесняются и «уходят» В цитоплазму за другой аминокислотой, а рибосома передвигается на следующий триплет  и-рнк. Так происходит считывание информации. Когда рибосома окажется на терминирующем  триплете (ген-терминатор), синтез белка  заканчивается. Синтез

Одной молекулы белка длится всего 3-4 секунды. Каждый этап синтеза белка катализируется соответствующим ферментом и  снабжается энергией за счет расщепления  АТФ.

После окончания  синтеза белка и образования  первичной структуры белка в  рибосомах формируется в эндоплазматической сети вторичная, третичная, а иногда и четвертичная структура белка  и он становится способным выполнять  свои функции.

Сходство  и различие организмов определяется набором белков. Каждый вид имеет  только ему присущий набор белков, Т.е. они являются основой видовой  специфичности, а также обуславливают  индивидуальность организмов. На Земле  нет двух людей, у которых все  белки были бы одинаковыми (за исключением  монозиготных близнецов). ДНК ядра каждой клетки несет в себе информацию о  форме клеток, белках-ферментах, гормонах, практически все признаки клеток и организма определяются белками. Таким образом, в ДНК заключена  вся информация о структуре и  деятельности клеток, органов и организма. Эта информация называется наследственной. Небелковые молекулы синтезируются  в два этапа: сначала образуется специфический белок-фермент, а затем  с его помощью образуются углеводы, липиды, витамины.

 

Ген - функциональная единица наследственности, его свойства

 

Ген - это  элементарный материальный наследственный фактор, определяющий строение белковой полипептидной цепи. Это участок  ДНК, кодирующий развитие отдельного признака.

Возможность проявления гена в виде признака зависит  от других генов гомологичной хромосомы  и от условий внешней среды.

У всех организмов одного вида каждый конкретный ген  расположен в одном и том же месте - локусе - строго определенной хромосомы.

В гаплоидном наборе хромосом имеется только один ген, ответственный за развитие данного  признака. В диплоидном наборе хромосом содержатся 2 гомологичные хромосомы  и значит 2 гена определяют развитие какого-либо признака. Гены, расположенные  в одних и тех же локусах  гомологичных хромосом и ответственные  за развитие одного признака, называются аллельными.

Доминантный ген - преобладающий, подавляет проявление других аллелей; обозначается большой  буквой латинского алфавита.

Рецессивный - подавляемый ген, проявляется только в гомозиготном состоянии, обозначают маленькой буквой.

Организм, в котором данная пара аллельных  генов одинакова, называется гомозиготой: АА, аа.

Организм, в котором пара аллелей неодинакова (Аа) - гетерозигота. Гемизигота - (от греческого hemi - полу и зигота), когда в диплоидных клетках присутствует один ген из пары аллелей и он всегда проявляется. Например, у мужчин в половых Х-хромосомах некоторые гены не имеют второго  аллеля•в Хромосомах, и признак  определяется не парой аллельных  генов, а одним аллелем.

Закон чистоты  гамет: в процессе образования гамет  в каждую из них попадает только 1 ген из аллельной пары. Цитологически  это объясняется мейозом: в анафазе  мейоза гомологичные хромосомы расходятся и вместе с ними расходятся аллельные  гены.

Генотип - совокупность генов данного организма. Но часто под генотипом понимают одну или две пары аллелей (гомозиготы или гетерозиготы). Гены в генотипе взаимодействуют друг с другом, влияя  на проявленние определенных свойств. Таким: образом, для генов существует своя генотипическая среда.

Свойства  генов:

1) способность  к мутации; 

2)способность  к рекомбинациям с другими  генами.

Фенотип - совокупность признаков данного  организма (внешних и внутренних). Он развивается в результате взаимодействия генотипа с внешней средой. В фенотипе реализуются не все генотипические возможности, а лишь их часть, для  которых были оптимальные условия. Фенотип-это частный случай реализации генотипа в конкретных условиях.

 

                                   

                                                     4.ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД.

 

 

В организме  каждого человека – своя наследственная конституция, характерная лишь для  него. Именно с этим связана тканевая несовместимость, проявляющаяся, в  частности, при пересадке органов  и тканей от одного организма другому. «Чужая» кожа, например, со своими особенными молекулами вступает в нежелательные  реакции с организмом «хозяина». Она вызывает появление белков –  антител – и в результате не «приживается». Аналогичное явление  наблюдается и при пересадке  отдельных органов.

По-иному  проходят эти процессы у однояйцевых  близнецов, которые развиваются  из двух клеток, образовавшихся из одной  оплодотворенной яйцеклетки – зиготы. Такие близнецы всегда однополы и  внешне поразительно похожи друг на друга. У однояйцевых близнецов пересадка  тканей и органов вполне возможна, никакого отторжения их не происходит. Иначе и быть не может. Один и тот же комплекс всех наследственных факторов не провоцирует появления антител в их организмах.

Эти и  многие другие факты показали, что  программирование синтеза белков –  главное свойство ДНК. Однако, прежде чем прийти к такому заключению, необходимо было доказать, что именно ДНК – носитель генетической информации. Первое подтверждение тому было получено при изучении явлений трансформации.

 

 

 История доказательства, что ДНК – носитель генетической  информации.

Явление это было открыто в опытах с  пневмококками, то есть с бактериями, вызывающими воспаление легких.  Известны две формы 

пневмококков: А-форма с полисахаридной капсулой и Б-форма без капсулы. Оба эти признака наследственны.

Пневмококки А-формы при заражении ими мышей  вызывают воспаление легких, от которого мыши погибают. Б-форма для них  безвредна.

В 1928 году английский бактериолог Ф.Гриффитс заражал мышей смесью, состоящей  из убитых нагреванием пневмококков А-формы и живых пневмококков Б-формы. Ученый предполагал, что мыши не заболеют. Но вопреки ожиданиям  подопытные животные погибли. Ф. Гриффитсу  удалось выделить из тканей погибших мышей пневмококки. Все они оказались  капсулированными, то есть А-формы. Следовательно, убитая форма каким-то образом передавала свои свойства живым клеткам Б-формы. Но как? С помощью какого именно вещества: полисахарида, из которого состоит  капсула, белка или ДНК?

От решения  этого вопроса зависело многое, так  как, установив вещество, передающее наследственный признак – образование  капсулы, можно было получить нужный ответ. Однако сделать это не удавалось  довольно долго. Лишь спустя 16 лет после  опытов Ф. Гриффитса, в 1944 году, американский ученый А. Эвери с сотрудниками, поставив ряд четких экспериментов, сумел  с полным обоснованием доказать, что  полисахарид и белок не имеют  никакого отношения к передаче наследственных свойств пневмококка А-формы.