Биотехнология в животноводстве

УДК 636

ББК 45.45

П.С.Катмаков, А.В.Бушов, В.П.Гавриленко. Биотехнология в животноводстве. Учебноепособие. - Ульяновск, УГСХА, 2008, 154 с.

Под общейредакциейпрофессораП.С.Катмакова.

Рецензенты:

В.П.Дегтярев, доктор биологических наук, академик РАСХН, Д.А.Васильев, докторбиологическихнаук, профессор.

Учебное пособие написано в соответствии с программой курса по биотех- нологии длястудентов биотехнологическогофакультета.

В пособии на уровне современных знаний изложены вопросы молекуляр- ных основ наследственности, генетической и клеточной инженерии, включая конструирование рекомбинантных ДНК и векторных систем. В главах, посвя- щенных трансплантации эмбрионов, получению трансгенных животных, кло- нированию и получению химер значительное внимание уделено практиче- скому использованию достижений биотехнологии в селекции сельскохозяй- ственныхживотных.

Рассмотрены вопросы биотехнологии кормовых препаратов - получение кормовых белков, незаменимых аминокислот; ферментных, витаминных пре- паратов и липидов. Особое внимание уделено научным и правовым основам обеспечения биобезопасности в биотехнологии, биоинженерии и использова- нии генетически модифицированных организмов. Каждая глава заканчивается перечнем вопросов для самостоятельного контроля усвоения материала.

Рекомендовано к печати учебно-методической комиссией биотехнологи- ческого факультета УГСХА (протокол №3 от 24.12.2007 г.)

©ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», 2008. ©П.С.Катмаков, А.В.Бушов, В.П.Гавриленко, 2008.

2

2.4.Генетическая инженерия на уровне хромосом и геномов…………………………………………………........... 38

3

9.3.Критерии, показатели и методы оценки генетически модифицированныхорганизмовиполучаемыхотнихпродуктов

4

5

рокое развитие в 80-е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом.

Современная биотехнология (биоинженерия) - это наука о генноинженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетиче- ская трансформация, перенос чужеродных донорских генов в клетки - ре- ципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансген- ных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По

своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устой- чивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и ка- чеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в приро- де и всех отраслях производства.

Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и произ- водства. У нее есть более глобальная методическая задача - она расширяет и ускоряет с помощью достижений научно - технического прогресса мас- штабы воздействий человека на живую природу и способствует приспо- соблению живых систем к условиям существования человека, выступая в роли новогомощного фактора антропогенной адаптивной эволюции.

По своим потенциям биотехнология экологически достаточно чистый и практически неисчерпаемый высокоэкономичный производитель разно- образной продукции и поэтому все больше будет вытеснять несовершен- ные, ограниченные ресурсами и экологически вредные современные хи- мические технологии. Однако, для большего прогресса биотехнология нуждается в успехах фундаментальных наук и в более совершенных ме- тодах оперирования живыми системами.

ГЛАВА1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫНАСЛЕДСТВЕННОСТИ

1.1. Нуклеиновые кислоты – материальные носители наследст-

венной информации. Хромосома представляет собой нуклеопротеидную структуру (дезоксинуклеопротеид), в состав которой входит дезоксирибо- нуклеиновая кислота, основные белки – гистоны, негистоновые белки и небольшое количество рибонуклеиновой кислоты. Ведущая роль в на-

7

следственности принадлежит ДНК, которая является носителем наследст- венной информации практически у всех организмов, как прокариот, так и эукариот, за исключением некоторых РНК – содержащихвирусов.

Нуклеиновые кислоты были открыты Фридрихом Мимером (18441895 г.г.) в 1869 г. Из ядер клеток человека он выделил вещество, назван- ное им нуклеином (от лат. Nucleus –ядро). В дальнейшем были изучены строение и молекулярная структура нуклеина и установлено, что он пред- ставлен двумя типами нуклеиновых кислот – ДНК-ой, локализованной преимущественно в ядре и РНК-ой, находящейся в ядре и цитоплазме.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соедине-

ния; их молекулярный вес колеблется от 5 млн. до 40 млн. В состав ДНК входят: сахар – дезоксирибоза, 4 азотистых основания – производные пурина (аденин и гуанин) и пиримидина (тимин и цитозин) и остатки фосфорной кислоты (фосфат). Аденина (А) содержится обычно столько, сколько тимина (Т), а количество гуанина (Г) равно количеству цитозина (Ц). Нуклеотиды соединяются между собой, обра- зуя длинную цепочку, химическим остовом которой служат остатки фос- форной кислоты, которые связаны фосфодиэфирными связями с 5′ угле- родом одной молекулы пентозного сахара и 3′ углеродом другой.

Структурная формула молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д.Уотсоном и Ф.Криком. Согласно их модели, молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных междусобой. Они отличаются сильной спиральной

извитостью и могут складываться в плотные столбики или растягиваться в длинные слегка извитые нити. Цепи двойной спирали удерживаются вме- сте водородными связями между азотистыми основаниями, лежащими друг против друга.

Молекула ДНК состоит из цепи молекул дезоксирибозы, соединенных между собой фосфатными остатками. К каждой молекуле сахара присое- динено одно из оснований – аденин, тимин, гуанин и цитозин, иногда ме- тилцитозин. Вторая цепь ДНК состоит из аналогичных соединений, но основания в ней расположены так, что напротив аденина в первой цепи во второй находится тимин, напротив гуанина – цитозин, причем аденин и тимин соединены двойными водородными связями, а гуанин и цитозин – тройными (пр. Чаргафа).

Число пуриновых нуклеотидов (А+Г)= числу пиримидиновых (Ц+Т),

т.е. отношение (А+Г) : (Т+Ц) = 1. Две комплементарные нити образуют правовинтовую спираль, каждый виток которой имеет длину 3.4 нм, рас- стояние между нуклеотидами 0.34 нм. Азотистые основания ориентиро-

8

ваны к середине спирали. Для хромосом эукариотов характерно линейное строение молекулы ДНК, у прокариот, плазмид, митохондрий и пластид молекулы ДНК бывают замкнуты в кольцо.

Число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специ- фичны для каждого вида. Д.Уотсон ввел понятие о видовой специфично- сти ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют соотноше- ние (А+Т): (Г+Ц). Молекула ДНК обладает исключительным многообра- зием. Если предположить, что у млекопитающих в ДНК содержится 108 нуклеотидов, то число молекул ДНК, различающихся по порядку чередо- вания нуклеотидов, будет 4 в степени 108. Таким образом, в молекуле ДНК может быть записан практически любой объем наследственной информа- ции и укаждой особи эта запись уникальна и специфична.

В отличие от содержащихся в живом организме других химических соединений молекула ДНК обладает способностью к автосинтезу, т.е. к самовоспроизведению в процессе репликации. Репликацией называют

процесс самокопирования молекулы ДНК с точным соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего исходным комплементарным нитям. Происходит это с участием специальных ферментов – дезоксирибонуклеазы, расщепляющей молекулу ДНК, и ДНК – полимеразы, способствующей ее синтезу.

Репликация происходит в период синтеза (S- период) интерфазы мито-

тического цикла. На отдельных участках молекулы ДНК образуются

так называемые вилки репликации. В этих местах под влиянием первого фермента водородные связи между азотистыми основаниями разрываются, комплементарные нити разъединяются, и каждая из них становится матрицей, на которой происходит синтез дочерних нитей. Такой тип репликации получил название полуконсервативного.

Участок молекулы ДНК в том месте, где начали расплетаться компле- ментарные нити, называется вилкой репликаций. Она образуется у прока- риот, плазмид, митохондрий и пластид в одной определенной, генетиче- ски фиксированной точке. В молекуле ДНК у эукариот таких «стартовых точек» бывает несколько.

У эукариот на каждой комплементарной нити ДНК процесс реплика- ции идет неодинаково, т.к. они антипараллельны, поэтому одна из нитей называется «лидирующей», другая – «запаздывающей». «Лидирующая» нить синтезируется при участии фермента ДНК – полимеразы в виде сплошной комплементарной нити.

9

Синтез «запаздывающей» нити протекает сложнее с участием ком- плекса ферментов. Вначале образуются отрезки – реплики новой дочерней нити ДНК, прочное соединение которых осуществляет фермент лигаза. Эти отрезки новой нити ДНК содержат у эукариот 100-200 нуклеотидов, у прокариот 1000-2000 нуклеотидов. Их называют фрагментами Оказаки по имени описавшего их японского ученого. ДНК-полимераза II проверяет комплементарность оснований и вырезает те из них, которые не компле- ментарны, бреши застраиваются правильныминуклеотидами.

Репликация кольцевых молекул ДНК у прокариот, а также ДНК плаз- мид, митохондрий и пластид протекает по типу, получившему название «катящегося обруча». При этом одна из нитей молекулы ДНК разрывает- ся, и ее конец прикрепляется к клеточной мембране, а на противополож- ном конце, как на матрице, происходит синтез дочерней нити ДНК. Реп- ликация ДНК протекает довольно быстро. У бактерий она составляет око- ло 30 мкм в минуту; за это время к нити матрице присоединяется около 500 нуклеотидов дочерней нити. У вирусов – около 900 нуклеотидов в минуту. У эукариот репликация протекает медленнее – дочерняя нить уд- линяется на1,5-2,5 мкм в минуту.

Таким образом, ДНК способна самовоспроизводиться (реплициро- ваться, самокопироваться) и сохранять наследственную информацию, за- кодированную в ней в виде последовательности чередования нуклеотид- ных оснований, во множестве поколений клеток, образующихся в онтоге- незе многоклеточногоорганизма.

Рибонуклеиновая кислота по своему строению несколько сходна с ДНК. Она также имеет цепь из сахара рибозы, соединенной фосфатными остатками; к молекулам рибозы присоединены основания – аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина здесь включается другое производное пиримидина – урацил. Молекула РНК одноцепочная, слегка спиралеобразно изогнутая. В клетке содержится РНК в основном трех типов: информационная (матричная) – и-РНК (м-РНК), рибосомальная – р-РНК и транспортная – т-РНК.

Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК. В живом организме в синтезе РНК участвует лишь одна цепь ДНК. Образовавшаяся двойная цепь ДНК/РНК существует до тех пор, пока со- отношение между ДНК и РНК не достигнет определенной величины, по-

сле чего молекула РНК отделяется и поступает в ядрышко или по каналам эндоплазматической сети в органоиды или плазмуклетки.

10