Тема 3. Молекулярные основы наследственности
Основные понятия о молекулярных основах наследственности.
Материальной основой наследственности являются хромосомы. Хромосомы неодинаковы по длине и отдельные их участки- локусы определяют развитие различных признаков и свойств организма.
ДНК, входящая в хромосому так же имеет сложное строение. Молекула ДНК является полимером и слагается из чередующихся мономерных единиц - дезоксирибонуклеотидов.
В состав каждого нуклеотида входит три компонента: 1) азотистое основание, 2) сахар - дезоксирибоза и 3) остаток фосфорной кислоты. Различают две группы азотистых оснований: пуриновые (аденин Аи гуанин Г) и пиримидиновые (цитозин Ц и тимин Т). В зависимости от того какое азотистое основание входит в состав нуклеотида, он называется: адениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т) и цитидиловый (Ц) соответственно.
Связь между нуклеотидами в цепи ДНК состоит из последовательно чередующихся дезоксирибозных и фосфатных остатков. К каждому дезоксирибозному остатку этой каркасной цепи присоединены белковые радикалы пуриновые основания (аденин и гуанин) или пиримидиновые основания (цитозин или тимин).
Было установлено, что у каждого вида животных и растений в ДНК имеется свое специфическое распределение пуриновых и пиримидиновых оснований. Оказалось, что последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК у разных видов не одинакова. Это имеет прямое отношение к наследственности.
В структуре ДНК объединяются две нуклеотидные цепочки в виде двойной спирали с правым ходом винта (напоминающие винтовую лестницу) при этом пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей оказываются заключенными внутри пространства между витками спирали. Основания связаны между собой водородными связями. При этом пуриновому основанию одной цепи в норме соответствует пиримидиновое основание другой и наоборот, а именно аденин всегда связан с тимином, а гуанин с цитозином. Таким образом, обе нити ДНК взаимно дополняют друг друга. Это называется комплементарностью.
В состав хромосом входит и РНК, которая, как и ДНК является полинуклеотидом.
В составе РНК 4 азотистых основания: аденин, цитозин, гуанин, урацил. Тимин замещен урацилом, а дезоксирибоза – рибозой. В отличие от ДНК, РНК имеет, как правило, однотяжевую структуру.
Было установлено, что каждая хромосома имеет одну непрерываемую центромерой молекулу ДНК.
Материальным субстратом наследственности в любой клетке является ДНК, в эукариотических клетках ДНК связана с белками и образует ДНП-надмолекулярные структуры-хромосомы.
В ДНК в линейной последоваетльности располагаются гены, занимая строго определенное место (локус). Каждый ген имеет определенный признак. На молекулярном уровне признак это конкретный полипептид (белок, фермент).
Триплетный код.
Последовательность нуклеотидов гена определяет последовательность аминокислот в полипептиде. Каждой аминокислоте в гене соответствует определенное сочетание трех пар нуклеотидов (триплет или кодон), то есть генетический код триплетный.
В ДНК содержится 4 вида нуклеотидов, следовательно, они могут образовываться 4³=64 варианта кодонов. Этого с избытком хватит, чтобы закодировать 20 аминокислот, из которых формируется все многообразие белков в живой природе. Кроме того, большинство аминокислот имеет не один, а несколько триплетных кодов (например, аланин – 4). Часть кодонов затрачивается на зашифровку начала и конца считывания гена.
Триплет или кодон является элементарной кодирующей единицей гена (ДНК). Структурной единицей ДНК (гена) является нуклеотид.
Экспрессия (выражение) гена в признаке на молекулярном уровне – это многоэтапный процесс. Основные этапы экспрессии гена: транскрипция и трансляция.
Основные этапы биосинтеза белка.
Ген – участок ДНК, несущий в себе информацию для синтеза полипептидной цепи с определенной аминокислотной последовательностью. Но для нормального хода процесса передачи информации он должен иметь определенную последовательность нуклеотидов, определяющий начало гена (промотор) и конец гена (терминатор). Между генами находятся последовательности, роль которых не ясна. ДНК гена не принимает участия в синтезе белка, она служит только матрицей (основой) для синтеза молекулы информационной РНК (И-РНК) – первого продукта гена.
Две цепочки спирали ДНК не равнозначны – на одной из них зашифрована структура полипептида – она имеет смысловое значение, а другая, комплементарная (ей соответствующая) называется антисмысловой. Именно смысловая цепочка служит матрицей для синтеза одиночной цепи И-РНК.
Синтез одиночной цепи И-РНК называется транскрипцией. Под контролем фермента транскриптазы происходит переписывание кода смысловой цепочки ДНК на И-РНК, причем последняя комплементарна к смысловой цепочке ДНК. Это значит, что если известна последовательность в одной цепи, то в другой ее можно вывести автоматически. Молекула И-РНК после синтеза отделяется от ДНК и контактирует с рибосомами.
Комплекс из И-РНК и нескольких рибосом называется полирибосомами или полисомами. Именно на полисомах происходит синтез белка. Этот синтез называется трансляцией (воспроизведением). Переводчиком кода И-РНК в аминокислотную последовательность белка служит транспортная РНК (Т-РНК). Выстраивание аминокислотных остатков в соответствии с триплетами И-РНК осуществляется на рибосомах при помощи еще одного типа молекул РНК, а именно Т-РНК, каждая из которых может доставлять к рибосомам только определенную аминокислоту. Это зависит от состава нуклеотидов антикодона данной Т-РНК. В процессе трансляции к рибосомам поочередно подходят с аминокислотами те Т-РНК, антикодоны которых комплементарны (то есть соответствуют) кодонам данной И-РНК. Между доставляемыми аминокислотами образуется пептидная связь, то есть синтезируется полипептид. В нем последовательность аминокислот соответствует последовательности кодонов И-РНК и гена (ДНК).
Описанная схема синтеза белков в клетке (экспрессия гена) характерна для прокариотических клеток, у которых ген состоит из непрерывной последовательности кодирующих нуклеотидов. У эукариот, ген которых имеет мозаичное строение, способны к транскрипции и кодирующие и некодирующие нуклеотидные последовательности. Кодирующие называются экзоны, а некодирующие – интроны. В итоге образуется незрелая И-РНК, содержащая и кодирующие и некодирующие нуклеотиды. Незрелая И-РНК называется еще про-И-РНК. Перед трансляцией (синтезом белка) незрелая И-РНК созревает, то есть некодирующие нуклеотиды убираются специальными ферментами из про-И-РНК. Трансляция происходит со зрелой И-РНК.
Таким образом, у эукариот последовательность аминокислот в полипептиде соответствует только кодонам зрелой И-РНК или кодирующим участкам про-И-РНК и соответствующего гена, но не всей про-И-РНК и не всему гену. Следовательно, зная последовательность нуклеотидов в гене (ДНК) прокариот можно написать последовательность нуклеотидов, соответствующей И-РНК, а также и последовательность аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном.
Практическая работа №3.
Задание 1. Ознакомьтесь с теоретическим материалом и заполните соответствующие графы таблицы №8 «Сравнительная характеристика ДНК и РНК»
Таблица №8. Сравнительная характеристика ДНК и РНК
| Признаки | ДНК | РНК |
| Местонахождение в клетке | ||
| Местонахождение в ядре | ||
| Строение макромолекулы | ||
| Состав нуклеотида | ||
| Мономеры | ||
| Тип нуклеотидов | ||
| Свойства | ||
| Функции |
Задание 2. Внимательно рассмотрите рисунок 4 «Схема строения участка молекулы ДНК» и сделайте соответствующие подписи к пунктам.
Рисунок 4. – Схема строения участка молекулы ДНК
1._____________________________________________
2._____________________________________________
3._____________________________________________
4._____________________________________________
Задание 3. Используя принцип комплементарности, напишите последовательность нуклеотидов в комплементарной цепи следующих участков ДНК (с указанием водородных связей):
1) Г Г Т А А Ц А Ц А Ц Ц А Г А А
______________________________
2) А А Г Г Т А Ц Ц А Т Г Т А А Ц
______________________________
3) А Ц Г Т А Г Ц Г Г А А Ц Ц Г А
_____________________________
4) А Т Г Т Т Т А Ц А Ц Ц А Г А А
______________________________
Задание 4. Решите следующие задачи, используя информацию о триплетном коде:
1) Одна из цепочек ДНК имеет следующий состав нуклеотидов: АЦГТАГЦГГААЦЦГА. Сколько аминокислот может быть закодировано на данном участке ДНК?
2) Одна из цепочек ДНК имеет следующий состав нуклеотидов: АТЦЦЦГТТТАЦАЦЦАГАА. Сколько аминокислот может быть закодировано на данном участке ДНК?
3) Одна из цепочек ДНК имеет следующий состав нуклеотидов: ТГТАЦАЦЦАГАА. Сколько аминокислот может быть закодировано в данном участке ДНК?
4) Одна из цепочек ДНК имеет следующий состав нуклеотидов: ТТГТТАЦААЦЦАТТГГТАЦЦА. Сколько аминокислот может быть закодировано в данном участке ДНК?
Задание 5. Используя информацию о триплетном коде, решите следующие задачи:
1) Белок А состоит из 234 аминокислот. Сколько минимум кодонов и нуклеотидов должно входить в состав гена, детерминирующего данный белок?
2) Белок А состоит из 324 аминокислот. Сколько минимум кодонов и нуклеотидов должно входить в состав гена, детерминирующего данный белок?
3) Белок А состоит из 279 аминокислот. Сколько минимум кодонов и нуклеотидов должно входить в состав гена, детерминирующего данный белок?
4) Белок А состоит из 141 аминокислоты. Сколько минимум кодонов и нуклеотидов должно входить в состав гена, детерминирующего данный белок?
Задание 6. Используя информацию о триплетном коде и биосинтезе белка, решите следующие задачи:
1) В эукариотической клетке ген белка А состоит из 462 кодирующих и 189 некодирующих нуклеотидных последовательностей. Сколько аминокислот входит в состав белка, контролируемого данным геном?
2) В эукариотической клетке ген белка А состоит из 552 кодирующих и 213 некодирующих нуклеотидных последовательностей. Сколько аминокислот входит в состав белка, контролируемого данным геном?
3) В эукариотической клетке ген белка А состоит из 384 кодирующих и 153 некодирующих нуклеотидных последовательностей. Сколько аминокислот входит в состав белка, контролируемого данным геном?
4) В эукариотической клетке ген белка А состоит из 438 кодирующих и 351 некодирующих нуклеотидных последовательностей. Сколько аминокислот входит в состав белка, контролируемого данным геном?
Задание 7. Используя информацию, изложенную в таблице №9 «Генетический код в кодонах ДНК и и-РНК некоторых аминокислот», решите следующие задачи:
Таблица №9. Генетический код в кодонах ДНК и и-РНК некоторых аминокислот
| Аминокислота | Кодоны ДНК | Кодоны и-РНК |
| Аланин | ЦГА ЦГГ ЦГТ ЦГЦ | ГЦУ ГЦА |
| Аргинин | ГЦА ГЦГ ГЦЦ | ЦГУ ЦГЦ |
| Аспарагин | ЦТА ЦТГ | ГАУ ГАЦ |
| Валин | ЦАА ЦАГ | ГУУ ГУЦ |
| Гистидин | ГТА ГТГ | ЦАУ ЦАЦ |
| Лейцин | ГАА ГАГ ГАТ | ЦУУ ЦУЦ |
| Треонин | ТГА ТГГ ТГЦ | АЦУ АЦЦ |
| Тирозин | АТА АТГ | УАУ УАЦ |
| Триптофан | АЦЦ | УГГ |
| Фенилаланин | ААА ААГ | УУУ УУЦ |
| Кодоны терминаторы | АТТ АТЦ | УАА УАГ |
1) Какие аминокислоты закодированы в следующей цепи зрелой и-РНК: ГАЦГУУУАУУГГУАГ?
_________________________________________________________
2) Какие аминокислоты закодированы в следующей цепи зрелой и-РНК: ГУУГАЦЦАЦУУУУАА?
_________________________________________________________
3) Какие аминокислоты закодированы в следующей цепи зрелой и-РНК: ЦАУГЦУГАЦГЦАУАГ?
_________________________________________________________
4) Какие аминокислоты закодированы в следующей цепи зрелой и-РНК: ЦАЦГУУЦГУГЦАУАА?
__________________________________________________________
