Почему постоянство содержания днк в разных клетках. Геном: постоянство в ходе развития

Типы нуклеиновых кислот. В клетках имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Мономеры-нуклеотиды ДНК и РНК сходны в основных чертах строения. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов, соединенных прочными химическими связями.

Каждый из нуклеотидов, входящих в состав РНК, содержит пятиуглеродный сахар - рибозу; одно из четырех органических соединений, которые называют азотистыми основаниями, - аденин, гуанин, цитозин, урацил (А, Г, Ц, У); остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар - дезоксирибозу, одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин (А, Г, Ц, Т); остаток фосфорной кислоты.

В составе нуклеотидов к молекуле рибозы (или дезоксирибозы) с одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой - остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются между собой в длинные цепи. Остов такой цепи образуют регулярно чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты, а боковые группы этой цепи - четыре типа нерегулярно чередующихся азотистых оснований.

Рис. 7. Схема строения ДНК. Многоточием обозначены водородные связи

Молекула ДНК представляет собой структуру, состоящую из двух нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями (рис. 7). Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью. Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А в одной цепи лежит азотистое основание Т в другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое основание Ц. Схематически сказанное можно выразить следующим образом:

А (аденин) - Т (тимин)
Т (тимин) - А (аденин)
Г (гуанин) - Ц (цитозин)
Ц (цитозин) - Г (гуанин)

Эти пары оснований называют комплементарными основаниями (дополняющими друг друга). Нити ДНК, в которых основания расположены комплементарно друг другу, называют комплементарными нитями. На рисунке 8 приведены две нити ДНК, которые соединены комплементарными участками.

Рис. 8. Участок двуспиральной молекулы ДНК

Модель строения молекулы ДНК предложили Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. Она полностью подтверждена экспериментально и сыграла исключительно важную роль в развитии молекулярной биологии и генетики.

Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т. е. их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов и др.) определяет свойства клетки и организма. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их поколениям потомков, т. е. являются носителями наследственной информации. Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и хлоропластах.

Основные виды РНК. Наследственная информация, хранящаяся в молекулах ДНК, реализуется через молекулы белков. Информация о строении белка передается в цитоплазму особыми молекулами РНК, которые называются информационными (иРНК). Информационная РНК переносится в цитоплазму, где с помощью специальных органоидов - рибосом идет синтез белка. Именно информационная РНК, которая строится комплементарно одной из нитей ДНК, определяет порядок расположения аминокислот в белковых молекулах. В синтезе белка принимает участие и другой вид РНК - транспортная (тРНК), которая подносит аминокислоты к месту образования белковых молекул - рибосомам, своеобразным фабрикам по производству белков.

В состав рибосом входит третий вид РНК, так называемая рибосомная (рРНК), которая определяет структуру и функционирование рибосом.

Каждая молекула РНК в отличие от молекулы ДНК представлена одной нитью; вместо дезоксирибозы она содержит рибозу и вместо тимина - урацил.

Итак, нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация о всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

1. Рассмотрите рисунок 7 и скажите, в чем особенность строения молекулы ДНК. Какие компоненты входят в состав нуклеотидов?
2. Почему постоянство содержания ДНК в разных клетках организма считается доказательством того, что ДНК представляет собой генетический материал?
3. Используя таблицу, дайте сравнительную характеристику ДНК и РНК.

1. Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав: -А-А-А-Т-Т-Ц-Ц-Г-Г-. Достройте вторую цепь.
2. В молекуле ДНК тиминов насчитывается 20% от общего числа азотистых оснований. Определите количество азотистых оснований аденина, гуанина и цитозина.
3. В чем сходство и различие между белками и нуклеиновыми кислотами?

Клетки различных типов отличаются друг от друга главным образом потому, что помимо белков, необходимых всем клеткам без исключения для поддержания жизнедеятельности, клетки каждого типа синтезируют свой собственный набор специализированных белков. Например, в клетках эпидермиса синтезируется кератин, в эритроцитах - гемоглобин, в клетках хрусталика - кристаллины и т.д. Поскольку для клеток каждого типа характерны специфические наборы генных продуктов, может возникнуть вопрос: не объясняется ли это просто тем, что клетки обладают различными наборами генов? Клетки хрусталика, например, утратили гены кератина, гемоглобина и т.д., но сохранили гены кристаллинов, или же в них за счет амплификации избирательно увеличилость число копий кристаллиновых генов. Однако целый ряд данных показывает, что это не так: клетки почти всех типов содержат одинаковый полный геном, имевшийся первоначально в оплодотворенном яйце. Причина различия в свойствах клеток заключена не в обладании разными наборами генов, а в их дифференциальной экспрессии. Иными словами, активность генов регулируется: они могут включаться и выключаться.

Наиболее убедительные доказательтва этого были получены в опытах с пересадкой ядер в клетки амфибий. Как правило, размеры яйцеклетки амфибий позволяют с помощью микропипетки инъецировать в них ядра, полученные из других клеток. Ядро самого яйца предварительно разрушают, облучая ультрафиолетом. Укол микропипеткой побуждает яйцеклетку к началу развития. Оказалось, что при замене ядра яйцеклетки ядром кератиноцита из кожи взрослой лягушки или ядром эритроцита получались нормальные плавающие головастики. Такие эксперименты имеют ряд ограничений: они успешны при использовании ядер лишь некоторых дифференцированных клеток и яйцеклеток определенных видов. Тем не менее, результаты и других исследований позволяют придти к заключению о том, что в процессе развития постоянство генома сохраняется.

Из этого правила известно несколько исключений. Например, у некоторых беспозвоночных в соматических (не половых) клетках часть хромосом, представленных в клетках зародышевой линии (предшественниках гамет), утрачивается уже на ранних стадиях развития. В ооцитах некоторых других животных (в том числе и у Xenopus laevis) происходит избирательная репликация генов рибосомной РНК, а у личинок некоторых насекомых имеет место неравная политенизация хромосом, в результате чего происходит усиленная амплификация каких-то одних определенных генов. Синтез антител и антиген-специфических рецепторов лимфоцитами у позвоночных включает сплайсинг фрагментов ДНК, расположенных в геноме этих специализированных клеток в разных местах. Сплайсинг происходит по мере дифференцировки данных клеток. (

Учебное пособие

Ответственный за выпуск Финаев В.И.

Редактор Белова Л.Ф.

Коррпектор Проценко И.А.

ЛП №020565 от 23.-6.1997 г. Подписано к печати

Офсетная печать Усл. п.л. – 10,1 Уч.-изд.л. – 9,7

Заказ № Тираж 500 экз.

_____________________________________________________

Издательство ЮФУ

Типография ЮФУ

ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44

1. Доказательство генетической роли ДНК

2. Химическое строение нуклеиновых кислот

3.1. Строение ДНК

3.2. Уровни компактизации ДНК

3.3. Репликация ДНК

3.4. Репарация ДНК

3.5. Функции ДНК

5.1. Основные положения системной концепции гена

5.2. Плазмогены

5.3. Свойства гена

5.4. Функции гена

5.5. Строение гена про- и эукариот

5.6. Регуляция работы гена

6. Этапы экспрессии генетической информации

6.1. Транскрипция

6.2. Процессинг

6.3. Трансляция

6.3.1. Свойства генетического кода

6.3.2. Активация аминокислот

6.3.3. Этапы трансляции

6.4. Процессинг белка

Краткие биографические сведения

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.

Мы вошли в клетку, нашу колыбель, и начали

составлять опись обретенного нами богатства.

Альберт Клод (1974г.)

Доказательство генетической роли ДНК.

Открыты нуклеиновые кислоты швейцарским биохимиком Ф. Мишером в 1869 году в ядрах клеток гноя (лейкоцитов) и сперматозоидов. В 1891 году немецкий биохимик А. Кессель показал, что нуклеиновые кислоты состоят из остатков сахара, фосфорной кислоты и четырех азотистых оснований, являющихся производными пурина и пиримидина. Он же впервые доказал существование двух типов нуклеиновых кислот – ДНК и РНК . Затем в 1908 – 1909 годах Ф. Левеном было дано описание строения нуклеозидов и нуклеотидов, а в 1952 году английскими исследователями под руководством А. Тодда – фосфодиэфирной связи. В 20-е годы Фельген обнаружил ДНК в хромосомах, а РНК были обнаружены в ядре и цитоплазме. В 1950 году Э. Чаргафф с сотрудниками из колумбийского университета установили различия в нуклеотидном составе ДНК у разных видов.

В 1953 году американским биохимиком и генетиком Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была предложена модель двойной спирали ДНК. Эта дата официально считается днем рождения новой отрасли биологической науки – молекулярной биологии .

Надо отметить, что в годы, когда даже не было намека на генетическую роль нуклеиновых кислот, они воспринимались всеми как довольно странный материал, имеющий в химическом плане не очень сложное строение (азотистые основания, пентозы, остаток фосфорной кислоты). Однако их функциональное значение было расшифровано значительно позже, что было связано с незнанием особенностей строения нуклеиновых кислот. С точки зрения ученых конца 19 и начала 20 веков, они по сложности и комбинативности проигрывали белкам, мономерами которых были 20 видов аминокислот. Поэтому общепринятым в науке было мнение, что белки являются носителями наследственной информации, т.к. разнообразие аминокислот позволяло закодировать все многообразие свойств и признаков живых организмов.

Хотя еще в 1914 году русский исследователь Щепотьев высказал идею о возможной роли нуклеиновых кислот в наследственности, но не сумел доказать свою точку зрения. Однако постепенно накапливались научные факты о генетической роли нуклеиновых кислот.

1928 год. Английский микробиолог Фредерик Гриффит работал с двумя штаммами микроорганизмов: вирулентным (имел полисахаридную капсулу) и авирулентным (капсулы не имел) (рис.1). Вирулентный вызывал пневмонию у мышей и их гибель. Если вирулентный штамм нагреть, то он инактивируется и не опасен – все мыши выживают (постулат ученых того времени: ген имеет белковую природу, при нагревании белки денатурируют и теряют свою биологическую активность). Если смешать нагретый вирулентный и живой авирулентный, то часть мышей гибнет. При вскрытии мышей у них были обнаружены вирулентные капсульные формы. Аналогичная картина наблюдалось, если к живому авирулентному штамму бактерии добавить бесклеточный экстракт из вирулентных форм. Из этих опытов Ф. Гриффит сделал вывод, что от убитых нагреванием вирулентных форм и бесклеточных экстрактов к живым бескапсульным формам передается какой-то фактор , который переводит авирулентную форму в вирулентную. Это явление получило название «трансформация » бактерий и много лет «оставалось загадкой».

Рис. 1 Опыты Ф. Гриффита по трансформации у бактерий.

1. При заражение мышей авирулентными пневмококками они все выживали.

2. При заражение мышей вирулентными пневмококками они все погибали от пневмонии.

3. При заражение мышей убитыми нагреванием вирулентными пневмококками они все выживали.

4. При заражение мышей смесью живых авирулентных и убитых нагреванием

вирулентных пневмококков часть мышей погибала.

5. При заражение мышей смесью живых авирулентных и экстракта из убитых нагреванием вирулентных пневмококков часть мышей погибала. («От молекул до человека», 1973, с. 83)

Однако объяснить природу трансформирующего фактора Ф. Гриффит не смог. Это сделали американские ученые О. Эйвери, Дж. Мак – Леод, М. Мак – Карти в 1944 году . Они показали, что очищенные экстракты ДНК пневмококков могут вызвать трансформацию бактерий. Очищенный трансформирующий агент содержал небольшое количество белков. Протеолитические ферменты его не инактивировали, а дезоксирибонуклеаза – инактивировала. Своими блестящими экспериментами они показали, что ДНК – то вещество, которое изменяет генетическую информацию . Эти опыты были первым научным доказательством генетической роли нуклеиновых кислот. Окончательно этот вопрос был решен в экспериментах на вирусах бактерий - бактериофагах в 1948 – 1952гг . Бактериофаги имеют очень простое строение: они состоят из белковой оболочки и молекулы нуклеиновой кислоты. Это делает их идеальным материалом для изучения вопроса о том, что служит генетическим материалом – белок или ДНК. В опытах с мечеными соединениями А. Херши и М. Чейз (1952г.) было убедительно показано, что ДНК является носителем генетической информации , так как вирус впрыскивает её в тело бактериальной клетки, а белковая «оболочка» остается снаружи (рис.2).

Рис.2. Бактериофаг Т2 при помощи «хвоста» прикрепляется к бактерии. Он вводит в нее свою ДНК, после чего происходит ее репликация и синтез новых белковых оболочек. Затем бактерия лопается, высвобождая множество новых частиц вируса, каждая из которых может заразить новую бактерию («От молекул до человека», 1973, с. 86)

В результате описанных выше экспериментов стало ясно, что у бактерий и фагов генетическим материалом служит ДНК . Но является она носителем наследственной информации у эукариотических клеток? Ответ на этот вопрос был получен в экспериментах по переносу целых хромосом из одной клетки в другие. В реципиентных клетках проявились некоторые признаки клетки – донора. А затем, благодаря успехам генной инженерии, смогли добавлять отдельные гены (ДНК, содержащую только один ген), которые были утрачены мутантными клетками. Этими экспериментами было установлено, что ДНК у эукариот является генетическим материалом и была доказана возможность переноса генов между разными видами с сохранениями их функциональных свойств.

О генетической функции ДНК говорят следующие факты:

1. Локализация ДНК почти исключительно в хромосомах.

2. Постоянство числа хромосом в клетках одного вид равное 2n.

3. Постоянство количества ДНК в клетках одного вида равное 2С или 4С, в зависимости от стадии клеточного цикла.

4. Уменьшенное вдвое количество ДНК в ядрах половых клеток

5. Влияние мутагенов на химическую структуру ДНК.

6. Явление генетической рекомбинации у бактерий при их конъюгации.

7. Явление трансдукции – перенос генетического материала от одного штамма бактерий в другой с помощью ДНК фага.

8. Инфицирующая функция изолированной нуклеиновой кислоты вирусов.

Генетикам удалось выяснить, почему при одинаковости ДНК во всех клетках организма сами клетки развиваются по-разному. Они нашли код, блокирующий информационные участки генетического кода. Причём код оказался универсальным для разных видов.

В генетическом коде помимо информации, определяющей все белки, которые может произвести клетка, найден еще один механизм кодирования. Код закладывает порядок блокировки информации. Она недоступна для считывания на тех участках молекулы ДНК, где цепочка накручена на гистоны – своеобразные белковые катушки, и код указывает места скрутки.

Определяющие местоположение заблокированных кусочков ДНК последовательности нуклеотидов описали Эран Сигал из израильского Института Вейцмана и Джонатан Уидом из Северо-Западного универститета в Иллионойсе в последнем номере журнала Nature.

Биологи в течение многих лет подозревали, что участки ДНК, которые наиболее легко накручиваются на нуклеосомы, благосклонны к этому благодаря особым факторам. Но, какие это факторы, было непонятно. Учёные проанализировали более двухсот свёрнутых в нуклеосомы участков ДНК дрожжей.

И обнаружили скрытые метки – особую последовательность нуклеотидных пар на некоторых участках цепи, определяющих доступность следующего за ними генетического материала. Они расположены в считавшейся до сих пор «мусорной» части ДНК

Зная эти ключевые участки, исследователи сумели правильно предсказать местоположение 50% нуклеосом в клетках аналогичных тканей у других видов (в каждой клетке содержится около 30 миллионов нуклеосом).

Фактически открытие означает установление универсального для всех живых организмов механизма блокировки генетической информации.

Доктор Сигал, по его словам, был весьма удивлен такому хорошему результату. По его предположению, нуклеосомы часто перемещаются, открывая для считывания новые участки ДНК. Местоположение неразгаданной половины скрученных ДНК определяется соревнованием между нуклеосомами и другими механизмами блокировки.

На свободных участках ДНК при необходимости транскрибировать ген (создать новый белок) реализуется похожий природный механизм меток. Об этом коде учёные знали уже давно: перед геном , определяющим вещество, стоят «поясняющие» его 6–8 нуклеотидных пар.

Сами катушки-нуклеосомы состоят из белков гистонов. В процессе эволюции гистоны проявили себя как наиболее стойкие к изменениям. Они так же практически не различаются у разных видов живых организмов. Так, гистоны гороха и коровы различны всего в двух из 102 аминокислотных соединений. А так как любая информация о белке содержится в виде последовательности нуклеотидных пар в ДНК-коде, ученые давно предполагали, что существует похожий для многих организмов механизм блокировки информации в ДНК-коде. Записанный в виде последовательности нуклеотидных пар, им может оказаться как раз нуклеосомный код.

А сочетание кода считывания и кода блокировки как раз и определяет, во что превратится данная клетка при развитии организма из зародыша.

Анонсы новостей - что это?

Почему артисты становятся президентами Про то, как опытные журналюги, блоггеры и артисты используют свои навыки для вранья в пользу своих представлений и активно продвигают это вранье методами изощренной, давно отрепетированной риторики. : . 26-06-2019г.

Особенности понимания схемотехнических систем В чем заключаются основные причины современного недопонимания функций адаптивных уровней эволюционного развития мозга: . 22-03-2019г.

Про свободу слова Эссе про свободу слова, демократию и о том, что делать с потоками лжи, которые проистекают от слова высказанного: . 20-03-2019г.

Оптимальная скорость творчества Нужно ли стремиться к максимальной скорости творчества и его производительности? . 13-03-2019г.

Конструирование модели социума мира будущего Модель будущего на основе представлений об организации психики: . 24-02-2019г.

Занятия по адаптологии Асинхронная онлайн-школа: . 14-10-2018г.

О поддержке онлайн-обучения на сайте Форнит Инструменты для создания своей онлайн-школы: . 08-10-2018г.

Общество мифов Как не достичь этического дна, когда высказанное слово – есть ложь: . 16-09-2018г.

О реорганизации академической науки Cделана попытка найти направления к решению проблем академической науки именно на основе модели организации психики:

Хромосомы состоят из хроматина - соединения ДНК и белков (гистонов). Этот комплекс имеет сложную пространственную конфигурацию.

Характер соединения (упаковка) в хромосоме одной очень длинной молекулы ДНК (длина ее достигает сотен и даже тысяч микрометров) и многочисленных, сравнительно компактных молекул белков до конца еще не выяснен.

Предполагают, что цепочка из многих молекул белков находится в середине, а ДНК закручена вокруг в виде спирали. Помимо этих двух основных соединений в хроматине обнаружено небольшое количество РНК, липидов и некоторые соли.

Постоянство количества ДНК в ядре

У каждого вида растений и животных в ядре клетки содержится строго определенное и постоянное количество ДНК. У разных видов организмов содержание ДНК значительно отличается. Например, в одном ядре гаплоидной клетки (в сперматозоиде) морского ежа содержится 0,9·10 -9 мг ДНК, у карпа - 1,64·10 -9 , петуха - 1,26·10 -9 , быка - 3,42·10 -9 , человека - 3,25·10 -9 мг. У некоторых растений эти цифры значительно выше. У лилии, например, в гаплоидной клетке содержится 58,0·10 -9 мг ДНК.

В ядрах всех соматических (диплоидных) клеток каждого вида организмов содержание ДНК тоже является величиной постоянной и в два раза превосходящей количество ДНК в гаплоидных клетках этого вида.

Еще более важным является специфичность нуклеотидного состава ДНК. Советский ученый акад. А.Н.Белозерский установил, что ДНК, выделенная из разных тканей одного организма, имеет одинаковый нуклеотидный состав. Он не зависит от возраста организма и от влияния внешней среды. В то же время у ДНК, выделенной из клеток разных видов, азотистые основания содержатся в различных соотношениях.