Наследственности

Нуклеиновые кислоты их биологическая роль, комплементарность нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты были открыты Фридрихом Мишером в 1869г. Из ядер клеток человека он выделил вещество, названное им нуклеином. Изучив строение, установили, что последние представлены двумя видами нуклеиновых кислот – ДНК, локализованной преимущественно в ядре, и РНК, находящейся в ядре и цитоплазме.

Ф. Гриффитс и О. Эвери раскрыли ведущую роль нуклеиновых кислот в наследственности на бактериях пневмококков, вызывающих воспаление легких. Они имеют несколько штаммов, в том числе S и R штаммы. S штамм вызывает гибель животных от пневмонии (вирулентный), образуя гладкие колонии. Штамм R – авирулентный, капсулы не имеет и образует шероховатые колонии. Гриффитс заражал мышей смесью живых бескапсульных бактерий R штамма и убитых путем нагревания капсульных пневмококков S-штамма. Мыши заболевали пневмонией, а выделенные из них клетки были как R- так и S-штаммов. Следовательно, произошло превращение (трансформация) некоторых бескапсульных бактерий R-штамма в вирулентные капсульные бактерии S-штамма.

О. Эвери повторил опыт Ф. Грифитса. Из бактерий штамма S он выделил ДНК и внес ее в питательную среду, на которой размножались бактерии авирулентного штамма R. Значительная часть авирулентных безкапсульных бактерий R-штамма трансформировались в капсульные бактерии S-штамма. Это явление дало основание утверждать о ведущей роли ДНК в переносе наследственной информации от одного штамма бактерий другому и послужило началом разработки молекулярной теории наследственности.

В 1952 г. Н. Циндлер и Дж. Ледерберг открыли явление трансдукции. Трансдукцией называется перенос наследственной информации в виде фрагмента ДНК вирусами (бактериофагами) от донора реципиенту и включение этого фрагмента в генотип реципиента. Явление трансдукции было открыто на тифозных бактериях.

Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК – является уникальным носителем наследственной информации, как у прокариот, так и у эукариот.

Доказательством ведущей роли ДНК в наследственности является то, что, она локализована главным образом в хромосомах, поэтому молекулярная генетика не противоречит хромосомной теории наследственности и законам классической генетики.

Главным свойством ДНК является её способность самокопироваться в интерфазе митотического цикла, благодаря чему в каждой клетке многоклеточного организма сохраняется полный объем наследственной информации. Особенности строения молекулы ДНК свидетельствуют об ее исключительном многообразии, видовой и индивидуальной специфичности. Изменение в строении молекулы ДНК обуславливает изменение признака или свойства организма.

Репликация молекулы ДНК. Репликацией называют процесс самокопирования молекулы ДНК с точным соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего исходным комплементарным нитям, согласно правила соответствия: аденин (А) комплементарен тимину (Т), а цитозин (Ц) – гуанину (Г). Репликация проходит в период синтеза (S-период) интерфазы митотического цикла.

Водородные связи между азотистыми основаниями под действием соответствующих ферментов разрываются. Каждая из двух цепей "материнской" молекулы служит матрицей для синтеза новой цепи по принципу комплементарности. После репликации молекула ДНК содержит одну "материнскую" цепочку и одну "дочернюю", вновь синтезированную (синтез ДНК является полуконсервативным). Так как две комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены в противоположные стороны, а фермент ДНК- полимераза может продвигаться вдоль матричных цепей лишь от 5^/ конца к 3^/-концу, то синтез новых цепей идет антипараллельно (принцип антипараллельности).

Участок молекулы, где начали расплетаться комплементарные нити, называется вилкой репликации. Она образуется у прокариот, плазмид, митохондрий, пластид в одной определенной, генетически фиксированной точке.

У эукариот на каждой комплементарной цепи ДНК процесс репликации идет неодинаково: одна из нитей называется «лидирующей», другая – «запаздывающей». «Лидирующая» нить синтезируется от 5 ¹ конца к 3 ¹ при участии фермента ДНК-полиме-разы в виде сплошной комплементарной нити.

Синтез «запаздывающей» нити протекает сложнее с участием комплекса ферментов. Вначале образуются отрезки – репликиконы, то есть участки молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой. Репликон обязательно имеет контролирующие элементы: точку начала, в которой инициируется репликация, — она определяется праймерами (затравками), состоящими из 100-200 пар нуклеотидов, и точку окончания, в которой репликация останавливается.

Место, в котором происходит репликация, получило название репликационной вилки. Так как ДНК-полимераза может двигаться только в одном направлении (5^/ – 3^/), то в каждой репликационной вилке она может непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула ДНК по мере расплетания материнской молекулы синтезируется отдельными короткими участками по 150—200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки), по имени открывшего их японского ученого. Эти короткие участки вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи одного репликона связываются воедино ферментом лигазой. Такой принцип синтеза новых цепей ДНК называется прерывистым. Участки "дочерних" молекул ДНК, синтезированные в соседних репликонах, также "сшиваются" ферментом лигазой.

Строение и структура ДНК по Уотсону и Крику. Структурная формула молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф.Криком. Молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, соединенных комплементарно. Каждый нуклеотид одной цепочки соединяется водородными связями с нуклеотидом другой цепочки строго закономерно: аденин соединяется с тимином, гуанин с цитозином. Аденин соединяется с тимином двумя, а цитозин с гуанином – тремя водородными связями. Полинуклеотидные цепи, закрученны вправо вокруг одной оси с образованием двойной спирали. Цепи антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны, так что 3^/-конец одной цепи располагается напротив 5'-конца другой. ДНК – сложный биополимер, состоящий из нуклеотидов. Каждый нуклеотид включает три компонента – остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар – дезоксирибозу и одно из четырех азотистых оснований: пуриновых – аденин или гуанин, пиримидиновых – тимин или цитозин. Нуклеотиды соединяются между собой, образуя длинную цепочку.

Химическим остовом служат остатки фосфорной кислоты, которые связаны фосфодиэфирными связями с 5 ¹ углеродом одной молекулы пентозного сахара и 3 ¹ углеродом другой. К первому атому углерода каждой молекулы пентозного сахара присоединяется одно из четырех оснований. Благодаря такому соединению нуклеотидов молекула ДНК обладает полярностью: репликация ДНК на матричной нити идет в направлении от 5 ¹ к 3 ¹.

Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно к длинной оси двойной спирали располагаются основания.

Рис 3. Схема структуры участка молекулы ДНК: Ф - остаток фосфорной кислоты; Д — дезоксирибоза; А, Г, Ц, Т - соответственно аденин, гуанин, цитозин, тимин (азотистые основания)

Находящиеся друг против друга основания двух цепей двойной спирали соединяются водородными связями между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями строго комплементарно: аденин — только с тимином (две связи), а гуанин — с цитозином (три связи).

Расстояние между сахарофосфатными остовами двух цепей постоянно и равно расстоянию, занимаемому парой оснований, т. е. одним пурином и одним пиримидином. Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой. Полный оборот спирали - 3,4 нм, т. е. 10 пар оснований.

ДНК является хранителем генетической информации во всех клетках про- и эукариот. У некоторых доклеточных форм (вирусы и бактериофаги) эту функцию выполняет молекула РНК. Основная масса ДНК клетки сосредоточена в ядре (99%), небольшое ее количество находится в ДНК-содержащих органоидах (митохондрии, пластиды).

Правило Э. Чааргафа и видовая специфичность ДНК. Молярная масса пуриновых оснований (А+Г) равна молярной массе пиримидиновых (Ц+Т), то есть, отношение (А+Г):(Т+Ц) =1 (правило Э. Чааргафа). Две комплементарные нити образуют правовинтовую спираль, каждый виток которой имеет длину 3,4 нм, расстояние между двумя нуклеотидами 0,34 нм. Для хромосом эукариот характерно линейное строение молекулы ДНК, у прокариот, плазмид, митохондрий и пластид молекулы ДНК замкнуты в кольцо.

Видовая специфичность молекулы ДНК. Число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специфичны для каждого вида и для каждой особи. Д.Уотсон ввел понятие о видовой специфичности ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют соотношение (А+Т):(Г+Ц), величина которого постоянна у любого вида организмов.