Вариант б

Рис. 3.1. Схема регуляции биосинтеза и-РНК

П – промотор; Р – репрессор.

При положительной регуляции для начала транскрипции необходимо присоединение к промотору активатора – белка позитивного контроля – рис.3.1: вариант А. При отрицательной регуляции с оператором связывается репрессор – см. рис.3.1: вариант Б. В результате связывания оператора с репрессором РНК-полимераза не может двигаться вдоль гена и транскрипция не происходит. Если оператор не занят репрессором, то РНК-полимераза транскрибирует гены, происходит формирование (биосинтез) соответствующей и-РНК.

Ошибки «считывания» генетической информации, а также изменения в ее передаче называют мутациями. Мутация (mutatio) в переводе с латинского языка дословно означает «изменение». В биологическом и экологическом смысле мутации – это внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков в организме. Изменения проявляются морфологически (изменение внешнего вида и строения органов) и/или в физиолого-поведенческом плане. Мутации могут быть связаны с изменением структуры отдельного гена или группы генов, а также с изменением числа и структуры хромосом. В процессе матричного синтеза генетических программ неизбежно возникают ошибки копирования – мутации, вследствие чего копии программ отличаются друг от друга. Значительная часть мутаций корректируется специальными механизмами саморегуляции. Однако остающихся наследственных изменений достаточно, чтобы привести к разнокачественности особей и разной степени их приспособленности к условиям среды. Разнокачественность организмов создает предпосылки для естественного отбора. В зависимости от условий естественный отбор приводит либо к усовершенствованию организмов, либо к регрессу, упрощению их организации. Таким образом, сама сущность жизни как самовоспроизводящегося процесса является предпосылкой эволюции.

ДНК, носители наследственной информации, передающейся из поколения в поколение у многоклеточных организмов на 90% расположены в органоидах – хромосомах [5]. Свое название хромосомы получили, потому что на препаратах они окрашиваются многими красками и очень ярко (греч. «хрома» - краска, «сома» - тело). Хромосомы расположены в ядрах клеток.

В многоклеточном организме различают: 1) соматические (неполовые) клетки, которые входят в состав тканей и органов тела, и 2) половые клетки – гаметы. Ядра соматических клеток содержат диплоидный (двойной) набор хромосом. Ядра половых клеток содержат одинарный набор хромосом, называемый гаплоидным. Диплоидный набор хромосом человека имеет вид: χ. Короткое плечо обозначают латинской буквой р, длинное – g. Одинарность набора хромосом половых клеток обеспечивает генетическое разнообразие потомства. Этим достигаются большие эволюционные и экологические (расселение в разные среды) возможности.

Число хромосом и диплоидного, и гаплоидного набора постоянно для каждого вида организмов. Так диплоидный набор хромосом человека – 46, гаплоидный – 23; для растения «рожь» эти значения соответственно составляют 14 и 7.

Говоря о данном биологическом виде, обладателе наследственной информации, поясним три термина: геном, генотип, генофонд.

Геном видоспецифичен; он представляет собой тот необходимый набор генов, который обеспечивает формирование видовых характеристик организмов в ходе их нормального индивидуального развития. Геном – это совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов.

Генотип – это генетическая конструкция данного индивидуального организма, представляющего собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в диплоидном наборе хромосом. При половом размножении в процессе оплодотворения объединяются геномы двух родительских половых клеток, образуя генотип нового организма.

Упрощенно говоря, геном – это набор всех лишь необходимых генов для «сборки» данного биологического вида, а генотип – это набор всех генов, содержащихся в данном организме или одной соматической клетке, включая мутантные гены. Генотип составляет большее число генов, заключенных в двойном наборе хромосом.

Различие понятий геном и генотип, например, состоит в том, что конкретный организм (генотип) может содержать измененные гены, обусловливающие потерю каких-либо его свойств по сравнению с предками, или приобретение новых качеств не типичных для данного биологического вида.

Генофонд включает совокупность всех генов, которые имеются у особей данной группы (популяции, группы популяций, вида). Например, генофонд поселка составляют все его жители или сумма генов его жителей. Охрана генофонда природных и искусственных популяций растений и животных – одна из центральных задач охраны живой природы. Однако лозунг: «Сохраним генофонд нации» имеет и оборотную сторону. С биологических позиций это означает стремление сохранить в том числе и все онкогены (обусловливающие злокачественные заболевания) и наследственные факторы алкоголизма, шизофрении и т.п.

В организмах разных видов подобные функции осуществляют белки аналогичного строения, но не тождественного.

Код ДНК, шифрующий последовательность конкретных аминокислотных остатков в белке практически одинаков для любого биологического вида. То есть у бактерий и грибов, злаков и мхов, муравья и лягушки, окуня и пеликана, черепахи, лошади и человека одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.

Установку того, или иного, остатка аминокислоты в данном месте полипептида определяют три (триплет) стоящие друг за другом азотистые основания ДНК, РНК.

В ДНК это аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). В РНК, как правило, вместо тимина в наличии урацил (У).

В молекулах биополимеров: ДНК и РНК, азотистые основания соединены в цепочку друг за другом посредством остатка фосфорной кислоты и пятиуглеродного сахара (точнее, углевода). Такое звено, содержащее остаток фосфорной кислоты, пятиуглеродный сахар и одно из азотистых оснований, называют нуклеотидом. В литературе чаще пишут, что нуклеотиды шифруют структуру белка. Но нуклеотиды различаются между собой только азотистыми основаниями. Ведущая роль в шифре принадлежит именно азотистым основаниям. ДНК содержит пятиуглеродный сахар (углевод) – дезоксирибозу, отсюда и название дезоксирибонуклеиновая кислота. В структуру РНК помимо азотистых оснований: АГЦУ и остатков фосфорной кислоты входит пятиуглеродный сахар (углевод) рибоза, полное название этого биополимера: рибонуклеиновая кислота.

Молекула ДНК представляет собой структуру, состоящую из двух нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями (точки на рис. 3.2). Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью.

Рис. 3.2. Схема участка молекулы ДНК

Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А в одной цепи расположено 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 называют комплементарными основаниями, т.е. дополняющими друг друга.

Таким образом, имеет место комплементарное (Т – А; Г – Ц; Ц – Г; А – Т) расположение азотистых оснований, соответственно нуклеотидов. В отдельную цепь молекулы ДНК заключены десятки тысяч нуклеотидов.

Модель строения молекулы ДНК предложили Дж.Уотсон и Ф.Крик в 1953 г. Она полностью подтверждена экспериментально.

Каждая из 20 аминокислот, участвующих в построении первичной структуры белка (полипептида), зашифрованная последовательностью 3 нуклеотидов, т.е. триплетом. Этот триплет получил название кодон. Из 4 нуклеотидов можно создать 4³=64 различные комбинации, по 3 нуклеотида в каждой. Почти каждая аминокислота шифруется 2-6 кодонами. Исключение составляют метионин и триптофан, которые шифруют по одному кодону. Глицин (гли), например, шифруется четырьмя кодонами: ГГА, ГГГ, ГГУ, ГГЦ; серин – шестью: УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ, АГУ, АГЦ. Исследования показывают, что в укладке полипептидной цепи нет ничего случайного или хаотичного, каждому белку присущ определенный, всегда постоянный характер упаковки. В биосинтезе белка участвуют следующие РНК: информационные: и-РНК (переносят по правилам комплементарности информацию о структуре белка); транспортные: т-РНК (транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка); рибосомные: р-РНК (содержатся в рибосомах).

Структура РНК воспроизводится по законам комплементарности и воспроизводит соответствующую матрицу ДНК.

Например:

| | |

А … Т А

| | |

Г … Ц Г

| | |

Ц … Г Ц

| | |

Т… А У