Биохимические основы наследственности. Методическая разработка на тему: методическая разработка теоретического занятия для преподавателя дисциплина оп.04

Классификация мутаций

Особенности мутаций

1. Мутационные изменения обусловлены изменением наследственных структур в половых или соматических клетках и могут воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными;

2. Мутации возникают внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправленный характер, бывают рецессивными и доминантными;

3. Мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, бывают ценными, полезными или вредными. Мутации, снижающие выживаемость мутантов более чем на 10%, вредны для природных популяций (Ригер Р., Михаэлис А., 1967). В сельскохозяйственной практике ценность мутации определяется ее значением для селœекции;

4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

1. Геномные (полиплоидия)

А) Гаплоидия

Б)Эуплоидия

Автополиплоидия

Аллоплоидия

В)Гетероплоидия

2. Хромосомные аберации

Делœеция

Дефишенси

Инверсия

Дупликация

Фрагментация

Транслокация

Транспозиция

Замена нуклеотидов в ДНК

Вставка или выпадение нуклеотидов в ДНК

Полиплоидия – этогеномная мутация, обусловленная изменением числа хромосом в клетках, а также процесс возникновения или создания геномных мутантов (полиплоидов). Полиплоидия чаще встречается у растений и является защитной реакцией организма (в горах больше полиплоидных растений). Полиплоиды отличаются от диплоидов плодовитостью. Гаплоиды - ϶ᴛᴏ организмы, которые имеют одинарный набор хромосом. В клетках гаплоидов содержится только половина соматического набора хромосом (п), присущего данному виду, то есть такое же число хромосом, как и в нормальных половых клетках – гаметах. Гаплоиды бесплодны, но могут размножаться партеногенетически и сохраняться при вегетативном размножении.

Эуплоиды (истинные полиплоиды) – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом одного вида или происходит соединœение и кратное увеличение хромосомных наборов разных видов. Автополиплоиды – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом, присущих данному виду (триплоиды (3 п число хромосом), тетраплоиды (4п), пентаплоиды (5п), гексаплоиды (6п) и т.д.). Автополиплоидия обуславливает изменение морфологических признаков и свойств, присущих исходным типам. У полиплоидов увеличиваются размеры ядра и клетки в целом, а также количество органоидов цитоплазмы – пластид, митохондрий, рибосом. Аллополиплоиды – межвидовые полиплоиды, в кариотипе которых содержаться удвоенные наборы хромосом разных видов. Аллополиплоидам обычно присущи признаки и свойства исходных диплоидных родительских форм в различных сочетаниях, как это обычно бывает при межвидовой и межродовой гибридизации. Полиплоидизация позволяет восстановить плодовитость, так как межвидовые и межродовые гибриды, как правило бесплодны.

Гетероплоиды – или анеуплоиды - ϶ᴛᴏ организмы, число хромосом у которых некратное гаплоидному (2п-1, 2п+1). Причиной возникновения гетероплоидов должна быть отсутствие разделœения хромосом на хроматиды, при отсутствии коньюгации гомологичных хромосом. Учитывая зависимость отчисла дополнительных или недостающих хромосом применяют следующие термины: 2п-1 12 – моносомик, 2п-2 12 – нуллисомик, 2п+1 5 – трисомик, 2п+2 5 – тетрасомик. Нижний индекс указывает номер хромосомной пары в кариотипе, в которой изменилось число хромосом.

Полиплоидия у животных встречается крайне редко. К примеру, золотистый хомячок в кариотипе которого содержится 44 хромосомы, в то время как у животных других родов серого и обыкновенного хомяка их 22. У аксолотля были получены тетраплоидные самки. При скрещивании их с диплоидными самцами было получено триплоидное, полностью бесплодное потомство. Бычий гипогонадизм характеризуется трисомией по половой Х-хромосоме. Такие бычки отстают в росте и развитии, характеризуются недоразвитием вторичных половых признаков и сниженным уровнем спермопродукции вплоть до ее отсутствия.

У людей установлены и описаны следующие болезни (синдромы полиплоидии): синдром Патау – тяжелое заболевание, обусловленное трисомией по 13-й хромосоме. Частота встречаемости – 1:5000-7000 новорожденных. Характерна многопалость (полидактилия), пороки внутренних органов (перегородки сердца), головного мозга и высокая ранняя смертность. Синдром Дауна обусловлен трисомией по 21-1 хромосоме. Частота встречаемости 1:700-800 рождений. Характерна умственная отсталость, разболтанность суставов, пороки формы головы и лица. Моносомия по Х-хромосоме обуславливает синдром Шершевского-Тернера. Характерно бесплодие (так как у таких женщин нет яичников), недоразвитие половых признаков, низкий рост. Отмечены случаи рождения мужчин только с одной Х-хромосомой, а У-хромосома отсутствует в результате анеуплоидной мутации. В медицинœе данный синдром принято называть Клайнфелтера. Характерно недоразвитие семенников, евнухоидное телосложение. Трисомия по хромосоме 8 приводит к ряду аномалий – косоглазию, дефектам в строении ногтей, увеличению носа и ушей, умственной отсталости. Нуллисомия (полное отсутствие какой-либо хромосомы) для человека смертельно. Нуллисомия по какой-либо хромосоме может привести к гибели, и связана с фенотипическими изменениями.

Огромное большинство генов организма строго локализовано, каждый ген находится в определœенном месте одной из хромосом. С помощью генетических и цитологических методов для каждой хромосомы можно составить ее генную карту. Только некоторые так называемые мобильные генетические элементы (ʼʼпрыгающие геныʼʼ) бывают разбросаны в разных местах хромосом и способны время от времени перемещаться в другие места той же или другой хромосомы.

Рассмотрим хромосомные аберрации (перестройки).

Характер хромосомной перестройки во многом зависит от состояния хромосомы в момент воздействия мутагенного фактора. В случае если хромосома находится в состоянии одиночной нити (период G 1 интерфазы, анафаза и телофаза митоза), то в последующий период S интерфазы она удваивается и аберрация сохраняется в обеих хроматидах, то есть возникают хромосомные аберрации. В случае если мутаген действует на хромосому, находящуюся в состоянии двойной нити (период G 2 или S интерфазы, профаза и метафаза митоза), аберрация может произойти только в одной хроматиде. В этом случае возникают хроматидные перестройки .

Различают внутри- и межхромосомные аберрации.

Внутрихромосомные аберрации.

Делœеция – выпадение участка хромосомы в средней ее части, содержащего обычно целый комплекс генов. В случае выпадения концевого участка возникает концевая делœеция – дефишенси. Когда делœеция и дефишенси захватывают небольшой фрагмент хромосомы, это вызывает изменение признака, к примеру желтую окраску тела и белоглазие у дрозофилы. Крупные делœеции вызывают гибель организма. Иллюстрацией вредного действия крупных делœеций может служить хронический миелоз у человека. Это тяжелая форма белокровия, характеризующаяся безудержным размножением некоторых видов лейкоцитов, вызывается очень крупной делœецией в одной из аутосом 21-й пары.

Инверсия – возникает в результате разрыва хромосомы одновременно в двух местах с сохранением внутреннего участка, который воссоединяется с этой же хромосомой после поворота на 180 о. Инверсия не влияет на фенотип особи. Гетерозиготность по инверсии сильно мешает в мейозе нормальной коньюгации и образуются анеуплоидные половые клетки. У гомозиготных по инвертированной хромосоме особей коньюгация в мейозе протекает нормально. Результатом инверсии бывают гетероплоидные потомки или бесплодие. Инверсии часто встречаются в природе. Особенно много получено данных о распространении инверсий в популяциях разных видов мух, комаров и мошек, у которых инверсии легко обнаружить в хромосомах слюнных желœез, где они имеют огромные размеры и ясно выраженную структуру.

Дупликация – удвоение участка хромосомы. Характерны слабые фенотипические проявления. В эволюционном плане дупликации обогащают генотипы новыми генами (полосковидные глаза у дрозофилы при дупликации гена Bar).

Межхромосомные аберрации .

Транслокация - обмен участками между негомологичными хромосомами. У особей гетерозиготных по транслокации нарушается коньюгация гомологичных хромосом и образуются нежизнеспособные гаметы (или ранняя эмбриональная смертность). Такие особи характеризуются пониженной плодовитостью или образуются гетероплоидные потомки (мутанты тутового шелкопряда, где самцы выводятся только из белых яичек и образуют более крупные коконы для шелководства).

Транспозиция (инсерция) - это вставка в какое-либо место хромосомы мобильного генетического элемента (мгэ), перенесенного туда из другого места той же или другой хромосомы. В геноме организма может присутствовать несколько разных мгэ в сумме они могут составлять 10-15 % генома. Мутации, вызываемые транспозицией, иногда нестойки (ревертируемы). Для бактерий показано, что транспозиции мгэ могут происходить между близкими видами, а также между бактериальной хромосомой и геномом заразившего ее вируса (фага).

Фрагментация – происходит в результате разрыва хромосом или хроматид в нескольких местах одновременно. Обуславливает возникновение летальных мутантов.

Генные, или толчковые мутации - ϶ᴛᴏ изменение структуры молекулы ДНК на участке определœенного гена, кодирующего синтез соответствующей белковой молекулы (или стойкие изменения отдельных генов). У любого организма генные мутации приводят к чрезвычайно разнообразным изменениям всœевозможных морфологических, физиологических и биохимических признаков. У бактерий генные мутации изменяют цвет и форму колоний, подвижность клеток, темп их делœения, способность сбраживать различные сахара, устойчивость к высокой температуре, лекарственным веществам, восприимчивость к заражению фагами, способность расти на неполноценной питательной среде, токсичность и т.д. У дрозофилы в результате генных мутаций изменяются цвет, размер и строение глаз, размер, форма и жилкование крыльев, строение брюшка, груди, ног и усиков, число, толщина и форма щетинок, плодовитость, продолжительность жизни, быстрота выработки условных рефлексов. Картина генных мутаций в общих чертах универсальна для всœех живых существ.

Генные мутации бывают доминантными, рецессивными или полудоминантными. Примером может служить доминантная мутация у дрозофилы, вызывающая развитие щетинок на жилках крыльев мухи. Различный характер редукции щетинок на телœе дрозофилы вызывали множественные аллели гена scut – sc 1 ,sc 2 ,sc 3 . Впервые множественный аллелизм был установлен в 1930 ᴦ. А.С.Серебровским, Н.П.Дубининым и Б.П.Сидоровым у дрозофилы. Множественным аллелизмом называют различное состояние одного и того же локуса (гена), обусловленное толчковыми мутациями, детерминирующими различное проявление одного и того же признака или свойства. Аллели одного гена, возникшие в результате толчковой мутации, называют множественными аллелями. Ярким примером множественного аллелизма могут служить аллели, кодирующие синтез глобина – белка, крайне важно го для образования сложных молекул гемоглобина крови. Известно 100 типов гемоглобина, контролируемых серией множественных аллелœей. В гомозиготном состоянии гемоглобин обусловливает тяжелое наследственное заболевание – серповидно-клеточную анемию.

Процесс восстановления первоначальной структуры и исправления повреждений молекулы ДНК принято называть репарацией. Наиболее изучены фотореактивация и темновая репарация. Фотореактивация осуществляется фотореактивирующим ферментом. Свет активирует фермент, и он восстанавливает исходную структуру молекулы ДНК, поврежденную ультрафиолетовыми лучами. Темновая репарация протекает в несколько этапов при участии четырех типов ферментов, последовательное действие которых исправляет повреждение ДНК (эндонуклеаза-обследует, эндонуклеаза-расширяет участок ДНК, ДНК-полимераза - синтезирует, лигаза – скрепляет синтезированные ДНК).

Генетические различия в активности репарирующих ДНК-ферментов представляет одну из главных причин разной устойчивости организмов к действию мутагенов, в частности ионизирующей радиации и ультрафиолетовых лучей. Подобные различия существуют не только между генотипически неодинаковыми особями в пределах вида, но и между равными видами. Так, у человека известна врожденная болезнь, называемая пигментной ксеродермией. Кожа таких людей ненормально чувствительна к солнечным лучам и при их интенсивном воздействии покрывается крупными пигментными пятнами, изъязвляется, а иногда процесс приобретает злокачественный характер (рак кожи). Пигментная ксеродермия вызывается мутацией, инактивирующей ген, ответственный за синтез фермента͵ репарирующего повреждения ДНК кожных клеток ультрафиолетовой частью солнечных лучей.

Знание разных типов мутаций и причин их возникновения крайне важно для практической селœекции микроорганизмов, возделываемых растений и домашних животных, а также для ветеринарной медицины и медицины с целью диагностики, предупреждения и изыскания способов лечения болезней животных и человека.

Наиболее разительны успехи в селœекции бактерий и грибов – продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ. Активность лучистого гриба – продуцента витамина В12 – повысилась в 6 раз, а активность бактерии – продуцента аминокислоты лизина – в 300-400 раз. Искусственное вызывание мутаций используется и экономически оправданно в селœекции растений. Пшеница, рожь, кукурузу, ячмень и другие культуры превосходят исходные формы по урожайности, содержанию белка, скороспелости, устойчивости к полеганию, к разным болезням. Советским генетиком Струнниковым В.А. разработан пригодный для практического шелководства и широко теперь внедренный способ получения у тутового шелкопряда только мужского потомства. Коконы самцов содержат на 25-30% больше шелка, чем коконы самок.

Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика - ϶ᴛᴏ наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 ᴦ., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь ʼʼврожденной ошибкой метаболизмаʼʼ. Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие синœе-зелœеного окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.

В 1914 ᴦ. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.

Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.

Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.

Порфирия – болезнь крупного рогатого скота͵ возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин - ϶ᴛᴏ обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его - ϶ᴛᴏ последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). В случае если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота͵ голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свинœей – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свинœей – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.

Перечисленные болезни относят к ферментопатиям .

В 1950 ᴦ. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).

Генетический код.

Кодом наследственности или гентическим кодом принято называть процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинœеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 ᴦ. в США.

Колинœеарность генетического кода

Основы биохимической генетики - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Основы биохимической генетики" 2017, 2018.

Реферат на тему:

«Биохимические основы наследственности»

1.Белки-строение и функции

2. Нуклеиновые кислоты

З. Транскрипция и трансляция

4.Генетический код

5.Биосинтез белка в клетке

6.Ген - функциональная единица наследственности, его свойства.

7. Практическое применение молекулярной генетики

Это полимеры, состоящие из мономеров - аминокислот. В состав белков входит до 20 различных аминокислот. Соединения из нескольких аминокислот называют пептидами. В зависимости от их количества Е белке бывают дипептиды, три-, тетра-, пента- или полипептиды (от 6-10 до 300-500 аминокислот). Молекулярная масса белков колеблется от 5000 ДО нескольких миллионов. Белки отличаются друг от друга не только составом и числом аминокислот, но и последовательностью чередования их в полипептидной цепи.

Организация белковых молекул:

1) первичная структура - это полипептидная цепь, т.е. аминокислоты, соединенные ковалентными пептидными связями в виде цепи;

2) вторичная структура - белковая нить закручена в виде спирали, поддерживаемая водородными связями;

4) четвертичная cтруктypa - состоит из нескольких глобул; например, гемоглобин, состоит из 4-х глобул.

Функции белка разнообразны:

1) каталитическая: белки-ферменты ускоряют биохимические реакции организма;

2) строительная: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов;

3) двигательная: белки обеспечивают сокращение мышц, мерцание ресничек, белки-гистоны, сокращаясь, образуют хромосомы из хроматина;

4) защитная: антитела гамма-гло6улины - распознают чужеродные для организма вещества и способствуют их уничтожению;

5) транспортная: белки переносят различные соединения (гемоглобин - кислород, белки плазмы -гормоны, лекарства и т.д.);

6) регуляторная: белки участвуют в регуляции обмена веществ (гормоны роста, гормон-инсулин, половые гормоны, адреналин и др.);

7) энергетическая - при распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Энергии.

2. Нуклеиновые кислоты

К ним относятся ДНК - и РНК.

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик открыли структуру ДНК состоящую из двух цепей, спирально закрученных относительно друг друга. Каждая цепь - полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из 4-х азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин, цитозин).

Сахар связан с фосфорной группой ковалентной связью, а с азотистыми основаниями - водородной связью.

Две цепи соединяются сла6ыми водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности; аденин дополняется тимином, гуанин – цитазином.

Самой длинной молекулой в организме является ДНК (108 нуклеотидов), имеющая очень большую молекулярную массу.

Перед делением клетки ДНК удваивается, происходит реплuкацuя ДНК. Сначала с помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя цепями ДНК, а затем к каждой уже отдельной цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А-Т, Ц-Г), образуются уже 2 цепочки ДНК абсолютно похожие друг на друга. Репликация ДНК обеспечивает точное воспроизведение генетической информации в поколениях клеток и организмов в целом.

Функции ДНК:

1) хранит генетическую информацию, записанную в виде последовательности нуклеотидов;

2) передает наследственную информацию с ядра в цитоплазму.

Для этого с ДНК снимает копию и-РНК и переносит информацию к рибосомам - месту синтеза белка;

3) передает наследственную информацию от материнской клетки к дочерним, для этого перед делением клетка ДНК реплицируется, а во время деления превращается в суперспираль с помощью белка-гистона (в хромосому).

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.

3. 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.

4. 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.

5. 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

Лекция 7 Основы биохимической генетики

Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика – это наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 г., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь «врожденной ошибкой метаболизма». Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие сине-зеленого окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.

В 1914 г. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.

Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.

Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.

Порфирия – болезнь крупного рогатого скота, возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин – это обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его – это последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). Если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота, голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свиней – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свиней – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.

Перечисленные болезни относят к ферментопатиям.

В 1950 г. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).

Генетический код.

Кодом наследственности или гентическим кодом называется процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 г. в США.

Колинеарность генетического кода

Свойства генетического кода

1. Генетический код универсален – един для всех организмов (вирусов, бактерий, растений, животных и человека).

2. Код триплетный. Месторасположение каждой аминокислоты кодируется сочетанием строго определенных трех нуклеотидов в мРНК, образующих один специфический кодон.

3. Код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколькими (от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются одним триплетом – метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).

4. Код неперекрывающийся. Нуклеотидная последовательность считывается подряд в одном направлении – от 5" к 3", триплет за триплетом.

5. Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5", является инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится в середине мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин.

6. Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА («опал») являются терминаторами (стоп-сигналами) синтеза. Когда считывание генетической информации в мРНК доходит до одного из этих кодонов, дальнейший синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы.

В каждой клетке в молекулах ДНК закодирована вся генетическая информация, которая может быть реализована в онтогенезе через биосинтез в виде биохимических процессов, физиологических свойств и морфологических признаков.

Один из важнейших подходов к биохимической генетике – индукция, выделение и изучение мутантов (на примере дрожжей, бактерий). Выход мутантов можно увеличить с применением пенницилина, который препятствует синтезу клеточной стенки у бактерий и воздействует только на активно делящиеся клетки. Если клетки, выжившие после мутагенного воздействия, инкубировать в искусственной среде, прототрофы начнут расти и делиться. Подобные методы существуют и для одноклеточных и нитчатых грибов.

В изучении биохимической природы мутаций можно выделить три уровня:

а) проверка способности мутантов использовать известные или предполагаемые промежуточные продукты метаболического пути синтеза аргинина,

б) изучение накопления или выделения промежуточных продуктов биосинтетического пути в мутантных клетках,

в) точная идентификация нарушения метаболизма путем прямого исследования ферментов биосинтеза.

Например, мутанты, у которых нарушено использование глюкозы, обнаруживают следующим образом: после мутагенной обработки культуру высевают на индикаторную среду, содержащую лактозу, а также красители эозин и метиленовый синий (ЭМС). Колонии, которые могут расщеплять лактозу, окрашиваются красителями в красновато-зеленый цвет, а мутантные клетки не окрашиваются и образуют маленькие белые колонии. Соответствующие мутации можно отнести к одному гену (z) – структурному гену бетта-галактозидазы.

Применение цис-транс-теста к мутациям позволяет провести их генетико-биохимический анализ.

Закономерности цис-транс-теста.

1. Для отбора мутантов обычно используют у них способности выполнять какую-либо функцию – расти на искусственной среде, регулировать синтез какого-либо метаболита. Или (в случае фагов) расти на определенном штамме бактерии-хозяина. Эти признаки свидетельствуют, что данные мутации относятся к рецессивным.

2. Если два мутантных генома, утративших одну и ту же функцию поместить в общую цитоплазму, то конечный фенотип культуры будет мутантным.

3. Если в общую цитоплазму ввести два мутантных генома, у которых нарушены разные функции, то фенотип культуры будет диким.

Применение цис-транс-теста позволяет определить генетическую функциональную единицу, цистрон. Этот термин был предложен в 1957 г. Бензером. Как правило, термины «ген» и «цистрон» синонимичны, и их можно использовать как взаимозаменяемые.

Метод, позволяющий определить последовательность оснований во фрагментах ДНК, разработанный Максамом и Гилбертом в 1977 г. При работе этим методом ДНК расщепляют, удаляя из нее четыре разных основания. Для удаления оснований используют следующие реакции.

а. Реакция с диметилсульфатом в кислой среде. При этом происходит преимущественно удаление гуанина по сравнению с аденином.

б. Реакция с диметилсульфатом в присутствии NaCl. При этом удаляется преимущественно аденин.

в. Реакция с гидразином в присутствии пиперидина. При этом удаляются тимин и цитозин.

г. Реакция с гидразином и пиперидином в присутствии NaCl . В этом случае удаляется только цитозин.

Фрагмент ДНК метят по концам 32Р и обрабатывают в таких условиях, чтобы атаке подверглось только одно из ста оснований. В результате образуется ряд фрагментов, соответствующих скажем, расщеплению по каждому аденину. Полученные фрагменты разделяют по длине и, следовательно, по положению удаленных оснований с помощью гель-электрофореза. Одновременный электрофорез препаратов, полученных при четырех различных воздействиях, позволяет исследователю прочитать последовательность оснований ДНК. Этот метод дает возможность расшифровать последовательности длиной до 100 нуклеотидов; для расшифровки более длинных фрагментов необходимо разрезать исходный фрагмент фрагментами рестрикции, расшифровать образующиеся куски по отдельности и затем построить общую картину.

Общий состав генома любого организма можно изучать, исследуя кинетику реассоциации. При использовании этого метода ДНК нарезают на фрагменты длиной примерно 300 пар оснований и денатурируют нагреванием при 960 С. При понижении температуры комплементарные одноцепочечные фрагменты могут реассоциировать. Кинетику этого процесса прослеживают спектрофотометрически или путем выделения двухцепочечных молекул на гидроксиапатите. Скорость реассоциации зависит от степени повторяемости данной последовательности в образце. Исследования показали, что 30% генома составляют относительно простые последовательности. Остальные 70% генома состоят из уникальных последовательностей.

Гилберт предложил называть последовательности, которые входят в состав зрелой м РНК, экзонами, так как они экспрессируются, а те промежуточные последовательности, которые хотя и транскрибируются, но затем вырезаются из транскрипта до того, как он выходит из ядра, интронами.

Генетика пола

Детерминация пола и механизм его наследования

В ходе эволюции у большинства раздельнополых организмов сформировался механизм детерминации пола, обеспечивающий образование равного количества самцов и самок, что необходимо для нормального самовоспроизведения видов. Детерминация пола может происходить на разных этапах размножения. Различают три основных типа половой детерминации:

1) эпигамный, когда пол особи определяется в процессе онтогенеза. Детерминация пола в данном случае значительно зависит от внешней среды (самцы морского червя живут в матке самки, если личинка оседает на дно, то превращается в самку, а если проникнет в тело самки – в самца);

2) прогамный, когда пол будущего дочернего организма определяется в ходе гаметогенеза у родителей особи (коловратки, тля, кольчецы);

3) сингамный, при котором пол дочерней особи определяется в момент слияния гамет с образованием зиготы. Это наиболее распространенный тип детерминации пола, характерный для всех видов животных.

При прогамном и сингамном типах детерминации пол зависит от определенных половых хромосом.

У самок млекопитающих в диплоидном наборе хромосом выделяют последнюю пару одинаковых по форме половых хромосом, обозначаемых ХХ-хромосомами (гомогаметный пол). Самцы в кариотипе содержат Х- и Y –хромосомы (гетерогаметный пол – два типа гамет). Самцов обычно рождается на несколько процентов больше, чем самок, но в ходе эволюции повышена смертность самцов.

У птиц, пресмыкающихся и бабочек, наоборот, самки имеют гетерогаметный пол - ZW, а самцы – гомогаметный ZZ. У пчел половых хромосом нет, поэтому пол зависит от количества аутосом. В соматических клетках матки и рабочей пчелы содержится 32 аутосомы, а у трутня – 16 аутосом.

У дрозофилы возникновение пола зависит не только от присутствия половых хромосом, но и от соотношения аутосом. Это балансовая теория определения пола К.Бриджеса (1919). Все особи с балансом хромосом (или половым индексом) Х:А=1 – самки, Х:2А=0,5 – самцы. Баланс хромосом от1 до 0,5 определяет промежуточное развитие пола, то есть интерсексуальность. Соотношение 3Х:2А=1,5 ведет к развитию сверхсамок. Х+Y:3А=0,33 определяет развитие сверхсамцов. Гинандроморфы – насекомые у которых одни участки тела женские, а другие – мужские.

Организмы обладают бисексуальностью, то есть способностью при определенных условиях формировать женский или мужской пол. У крупного рогатого скота иногда рождаются двойни. В случае разнополых близнецов бычки развиваются нормально, а телочки в 95% случаев оказываются интерсексами (наружные гениталии женского типа, а внутренние органы – мужского). Таких животных называют фримартинами; они всегда бесплодны. Существует две теории образования фримартинов: гормональная и клеточная. Поскольку мужской гормон тестостерон начинает продуцироваться раньше, то длительное воздействие на женские половые органы приводит к недоразвитию последних. Присутствие Y-хромосомы в кариотипе телок-фримартинов и изменение у них признаков в сторону мужского пола – явное свидетельство ее влияния на половые признаки. Цитогенетический анализ является надежным методом ранней диагностики фримартинизма у телок.

У домашних животных существуют разные формы интерсексуальности, которые объединяются под названием гермафродитизм.

Кроме того, обнаружены отдельные формы, очень сходные с известными синдромами у человека – синдромами Клайнфельтера (ХХY) и Тернера (ХО). У крупного рогатого скота ХХY синдром наблюдали в сочетании с Х-трисомией. Характерными признаками животных были нарушения роста и развития, двухсторонняя гипоплазия семенников с олиго- и некроспермией и другими изменениями. Синдром Тернера характеризуется женским фенотипом с дисгезией гонад и другими генитальными дефектами. Цитологически - отсутствует вторая Х-хромосома. Образование гермафодитов – особей имеющих гонады и (или) половые органы противоположных полов, рассматриваются как результат нарушения мейоза в период развития бластоцисты. Животные с признаками гермафродитизма своевременно должны выделяться в группы откорма.

Диагностику пола интерсексов и гермафродитов впервые определил Барр М. в 1949 г. на основании обнаружения телец Барра или полового хроматина в ядре клеток. Это тельце встречается только в ядрах клеток самок. Количество телец Барра всегда на единицу меньше числа Х-хромосом. Так, если у самок обнаруживают два тельца Барра, то они являются носителями трисомии по Х-хромосоме. Если половой хроматин отсутствует, то у особи женского пола имеется только одна Х-хромосома. Если у самца обнаруживают тельце Барра, Это значит, что у него в кариотипе не одна, а две Х-хромосомы.

Наследственные аномалии животных, сцепленные с полом.

У сельскохозяйственных животных установлено несколько форм врожденных аномалий, обусловленных генами, локализованными в половых хромосомах. Как правило, они имеют рецессивный характер проявления, и при этом поражаются преимущественно особи гетерогаметного пола – у млекопитающих самцы, у птиц – самки. Сцепленные с полом летальные и сублетальные аномалии изменяют численное соотношение полов при рождении или после него вследствие гибели или браковки у млекопитающих самцов, у птиц – самок. Например, установлена такая аномалия, как врожденная деформация передних конечностей в сочетании с анкилозом суставов, изученная у животных черно-пестрой, сычевской и костромской пород, проявляется, как правило, у бычков, родственных между собой, что указывает на сцепленное с полом наследование. У собак обнаружено заболевание геофилией. Явление гемофилии заключается в утрате кровью нормальной способности к свертыванию. Симптомы гемофилии обычно проявляются впервые у щенят в возрасте от шести недель до трех месяцев. В число обычных симптомов входят: хромота (следствие кровоизлияний в суставы), сильная подкожная припухлость и в конечном итоге паралич одной или нескольких конечностей. Небольшие царапины могут оказаться для щенят-гемофиликов смертельными.

Передача через половые хромосомы признаков, сцепленных с Х- и Y-хромосомами, указывает на то, что на особь мужского пола большее влияние оказывает наследственность матери и ее предков, передавших Х-хромосому, которая является носителем генов для ряда признаков. Наследственность же отца, передавшего сыну Y-хромосому, генетически малоактивна.

Проблема регуляции пола у сельскохозяйственных животных

В молочном скотоводстве более желательным является рождение телочек, а в мясном – бычков. В яичном птицеводстве экономически выгодно получать больше курочек, а в мясном – петушков. С тонкорунных баранов настригают вдвое больше шерсти, чем с овец, оленьи панты можно получить только у самца. У тутового шелкопряда самцы дают на 25-30% больше шелка, чем самки, поэтому их преимущество очевидно. Регуляция соотношения полов у млекопитающих может быть достигнута такими путями:

1. Метод кислотно-щелочного анабиоза, который дает изменение соотношения Y:Х=20:80%. Этот метод основан на разной подвижности сперматозоидов. В кислой среде наиболее подвижны Х-спермии, а в щелочной -Y-спермии.

2. Метод разделения спермы на фракции путем электрофореза. Предполагают, что при этом спермии с разными половыми хромосомами отойдут к разным полюсам. При температуре в опыте 25оС на аноде накапливается спермы в соотношении Y:Х=75:25%, а на катоде –Y:Х=20:80%. При снижении температуры в опыте до 10оС результаты были обратными: на аноде накапливалось спермы в соотношении Y:Х=17:83%, а на катоде - Y:Х=83:17%.

3. Изменение pH женских половых путей. Обычно среда влагалища кислая. Однако при половом оргазме матка сокращается, и слизь из канала шейки матки, который имеет щелочную среду, поступает во влагалище и среда становится нейтральной. Если оргазм происходит у самки раньше, чем у самца, и спермии попали в нейтральную среду, то следует ожидать потомков мужского пола. Если оргазм у самца опережает оргазм самки, то спермии попадут во влагалище с кислой средой и следует ожидать потомство женского пола.

4. Центрифугирование спермы перед осеменением. Х-спермии будут на дне центрифужной пробирки, а Y–спермии – сверху.

5. Фракционирование спермиев по количеству ДНК и по их антигенному составу.

6. Учет возраста спариваемых особей. С возрастом родителей заметно снижается рождение самок (их было мало получено и от годовалых животных). При спаривании кур шестимесячного возраста выход самок был низким (27-33%), в потомстве же десятимесячных родителей он составил 47,5%, а двенадцатимесячных – 49,7%.

7. Метод программирования будущих детей относительно менструального цикла(Ф.Бенендо, 1970). Если спермии попадут в половые органы женщин за 4 дня (12-14 день после начала менструации) до овуляции (выхода зрелой яйцеклетки из яичника в матку), то в 84,7% случаев рождаются девочки, а если сразу после овуляции, то в 86,6% случаев рождаются мальчики.

Генетические методы раннего распознавания пола.

В птицеводстве используют сцепленную с полом окраску перьев для различения пола у суточных цыплят. Скрещивали золотистых петухов с серебристыми курами. Из яиц вылуплялись желтые цыплята – это курочки, другие зеленовато-белые – это петушки.

Используя явление сцепленного сполом наследования, Пеннет в Англии создал породу кур камбар. Петушки более светлой окраски, чем курочки (пятнистый рисунок). А.С.Серебровский изучил признак полосатости у кур и установил, что он детерминирован геном, локализованным в половой хромосоме. У петушков имелись темные пятна, у курочек – нет. Эти различия обуславливаются доминантным геном В, локализованным в половой хромосоме. Наследственный детерминизм в окраске был найден у гусей – один пол белый, другой серый. Существует метод распознавания цыплят по строению клоаки. У крупных малоплодных животных разработаны методы раннего определения пола, основанные на микрохирургическом получении клеток трофобласта у эмбриона или взятия амниотической жидкости с последующим цитогенетическим анализом состава половых хромосом.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Строение ДНК

Элементарной функциональной единицей наследственности которая определяет развитие признака является ген. Исследования показали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Мишером в 1869 г в ядрах клеток гноя.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота полимер, мономером которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из сахара – пентозы, азотистого основания и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания относятся к двум группам: пуриновые (аденин, гуанин), пиримидиновые (цитозин, тимин). К первому атому углерода С 1 присоединяется азотистое основание, к С 3 – гидроксильная группа ОН, С 4 соединяется с С 5 , к которому присоединяется остаток фосфорной кислоты.

В 1953 г Дж.Уотсон и Ф.Крик предложили структурную формулу ДНК.

Первичная структура ДНК – это последовательно соединенные нуклеотиды, которая образует нуклеотидную цепь. Каждый последующий нуклеотид соединяется с предыдущим путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого, так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь. Сборка полинуклеотидной цепи происходит при участии фермента полимеразы в направлении 5 – 3.Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5, а нижний конец гидроксильную группу в положении 3.

Вторичная структура ДНК – это две полинуклеотидные цепочки соединенные между собой через азотистые основания по принципу комплементарности А-Т, Ц-Г, водородными связями. Между А и Т – 2 связи, а Ц – Г – 3 связи. Полинуклеотидные цепочки антипараллельны, т.е. направление одной цепи 5-3, направление другой – 3-5.

Третичная структура ДНК – две цепочки образуют спираль закрученную вокруг собственной оси. В основном спираль ДНК закручена слева направо. Существует несколько форм правозакрученной ДНК: А-форма, в витке которой находится 11 нуклеотидных пар; В-форма – 10 нуклеотидных пар; С-форма – 9 нуклеотидных пар. Существуют участки, в которых ДНК закручена справа налево – Z-форма – 12 нуклеотидных пар.

В настоящее время продолжается изучение пространственной трехмерной спирали ДНК.

Репликация ДНК

Одним из основных свойств наследственного материала является способность ДНК к самоудвоению – репликации. Репликация происходит в синтетическом периоде интерфазы. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей дочерняя нить. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ репликации называется полуконсервативным, т.к. в образовавшихся молекулах ДНК, одна нить – материнская, другая – дочерняя.

Для репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицей. Для этого фермент ДНК – геликаза разрушает водородные связи между азотистыми основаниями цепей ДНК. Отделившиеся цепи выпрямляются при помощи дестабилизирующих белков с образованием репликационной вилки. Синтез дочерних цепей ДНК осуществляется при помощи фермента ДНК-полимераза . Однако, для начала синтеза необходима РНК- затравка (синтезируемая при помощи РНК-праймазы ), из 10 нуклеотидов для получения свободного С 3 -конца с ОН группой. Синтез дочерней нити в направлении 5-3 строится непрерывно и эта нить называется лидирующей . В связи с тем, что противоположная цепь ДНК антипараллельна, то фермент ДНК-полимераза не может присоединять нуклеотиды в противоположном направлении, поэтому другая дочерняя цепь строится участками – фрагментами Оказаки. В каждом фрагменте направление синтеза 5-3 и начинается синтез также с РНК-затравки. В дальнейшем при помощи фермента ДНК-лигазы убирается РНК-затравка и сшиваются фрагменты Оказаки, поэтому эта нить несколько отстает от лидирующей нити и ее называют - запаздывающей (направление нити 3-5).

У прокариот фрагменты Оказаки содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов, у эукариот они короче – от 100 до 200 нуклеотидов. Скорость синтеза белка у прокариот 1000 нуклеотидов секунду, у эукариот – 100 нуклеотидов в секунду. Фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки ее окончания образует единицу репликации репликон. У прокариот вся ДНК – один репликон, у эукариот ДНК содержит большое количество репликонов (у человека 50 000 репликонов).

Уровни компактизации ДНК

Известно 5 уровней компактизации ДНК:

1 – нуклеосомный

2 – нуклеомерный

3 – хромомерный

4 – хромонемный

5 – хромосомный.

1 - Нуклеосомный уровень компактизации ДНК представлен нитью ДНК и белками-гистонами и напоминает цепочку бус. Гистоны представлены пятью фракциями: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, гистоны достаточно прочно соединяются с молекулой ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная функция.

Н1 – богатый лизином гистон

Н2А, Н2В – умеренно богатый лизином гистон

Н3, Н4 – богатый аргинином гистон

В нуклеосомы входят 8 молекул четырех фракций гистоновых белков: Н2А, Н2В. Н3 и Н4, которые образуют октамер. Вокруг октомера оборачивается нить ДНК 1,7 раза, которую удерживает гистон Н1. Октомер с нитью ДНК является нуклеосомой. Между нуклеосомами нить ДНК называется линкерной нитью. Количество нуклеотидных пар в нуклеосоме и линкере 200-240. Уменьшение нити ДНК за первый нуклеосомный уровень - в 7 раз.

2 - Нуклеомерный уровень – представлен глобулами, состоящими из 8-12 нуклеосом.

3 - Хромомерный уровень – представлен петлями у основания которых находятся кислые негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель. Уменьшение нити ДНК в 30 раз.

4 - Хромонемный уровень – появляется за счет сближения в линейном порядке хромомерных петель с образованием хромонемной нити.

5 – Хромосомный уровень – образуется в результате спиральной укладки хромонемы (или хроматиды). Хромосомный уровень является максимальной степенью компактизации ДНК и достигается в метафазе митоза (мейоза).

Неодинаковая степень компактизации разных участков хромосом имеет большое функциональное значение. В зависимости от состояния хроматина выделяют эухроматиновые участки хромосом, отличающиеся меньшей плотностью компактизации в которых находятся активные гены и которые способны быстрой декомпактизации и транскрипции для синтеза белка.

Гетерохроматиновые участки характеризуются отсутствием активных генов и более высокой плотностью компактизации ДНК. Различают структурный (конститутивный) и факультативный гетерохроматин.

Структурный образован нетранскрибируемой (саттелитный) ДНК. Содержится в теломерных и околоцентромерных участках.

Примером факультативного гетерохроматина служит тельце Бара, которое является одной из двух Х-хромосом у женщины.

Фракции ДНК:

1 – фракция уникальных повторов – 1-3-5 раз на геном. В этих участках ДНК находятся структурные гены.

2 – фракция умеренных повторов 10 2 -10 5 повторов. В этих участках находится информация о рРНК, тРНК, гистоновых белках.

3 – фракция множественных повторов до 10 6 . Эти участки ДНК называются сателлитной ДНК. Эти участки неинформативны, находятся в теломерных участках и около центромер. Участвуют в регуляции активности генов, в конъюгации хромосом при образовании бивалентов, и является спейсерными участками (разделяющими) между информативными участками ДНК.