Тема 11. Генетика о материальных основах и механизмах наследственности

Явление наследственности организмов, т. е. способность передачи их признаков в ряду поколений, было подмечено и использовалось уже древними селекционерами. Для его объяснения биологи Нового времени предложили две умозрительные концепции: преформизм и эпигенез. Согласно первой, зародыш представляет собой миниатюрную копию взрослой особи, и его эмбриональное развитие состоит в чисто количественном росте. Согласно второй концепции, из бесструктурной массы оплодотворенного яйца под действием различных факторов формируются органы зародыша.

В 19 в. был предложен гибридологический метод исследования этого явления. На его основе Г. Мендель открыл законы наследственности, для объяснения которых ввел идею наследственных факторов, т. е. дискретных элементов наследственности. Эти наследственные факторы в неизменном виде передаются при скрещивании потомству, обусловливая тем самым появление признаков того или иного родителя (явление доминирования признаков). Эти факторы спустя полвека получили название генов, а их линейная последовательность – хромосом. Создателем хромосомной теории наследственности является Т. Морган. Хромосомы – это парные органоиды, содержащиеся в ядре клетки, каждый член пары состоит из двух гомологичных (подобных друг другу) нитей (хроматид). У каждого вида организмов имеется строго определенное количество хромосом. В хромосоме содержится от нескольких тысяч до десятков тысяч генов. Совокупность генов, содержащихся в одинарном (гаплоидном) наборе хромосом клетки, называется геномом, а совокупность всех генов особи – генотипом. Гены, находящиеся в гомологичных хромосомах и определяющие один и тот же признак организма, называются аллельными генами. Поскольку они могут определять различные варианты признака (напр., желтый или зеленый цвет горошин), то один из них может быть доминантным (А), другой – рецессивным (а). Каждая клетка многоклеточного организма содержит полный хромосомный набор, присущий данному виду, поэтому из одной соматической клетки можно вырастить взрослую особь (клонирование). Изменение наследственных признаков особи происходит путем мутаций: генных, хромосомных, геномных. Мутации вызываются действием различных факторов (мутагенов): физических, химических, биологических. Вещество хромосомы состоит из молекулы ДНК – носителя наследственной информации, фермента ДНК-полимеразы, белков, липидов и минеральных веществ. ДНК состоит из двух нитей, каждая из которых состоит из линейной последовательности нуклеотидов, посредством которой определяется последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковой молекулы. Каждая аминокислота кодируется отдельным кодоном (триплетом) – группой нуклеотидов, состоящей из трех компонентов (А, Т, Ц, Г).

Синтез белка происходит таким образом. Поскольку одна молекула ДНК хромосомы кодирует множество видов молекул белка, то для синтеза определенного белка активируется соответствующий ему ген. Специальные молекулы деспирализуют соответствующий участок молекулы ДНК, раздваивают его на две самостоятельные нити. На одной из нитей синтезируется молекула информационной РНК, т. е. происходит транскрипция (переписывание) информации гена на вспомогательный носитель. Затем молекула иРНК из ядра перемещается в протоплазму, где происходит сборка молекулы белка (матричный синтез). Синтез происходит в рибосоме, которая перемещается вдоль молекулы иРНК и соединяет аминокислотные остатки, подводимые к ней молекулами транспортной РНК. Этот процесс называется трансляцией. Так образуется первичная структура молекулы белка. Поскольку во всех клетках организма содержится одинаковая генетическая информация, то описанный механизм синтеза обеспечивает точное воспроизведение видов белковых молекул, специфических для данного организма.

Открытие генетической роли ДНК прояснило и процесс образования новых клеток-эукариот путем их деления (митоза). Процесс клеточного деления включает фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Хромосомы сначала сильно спирализуются, утолщаются, затем хроматиды расходятся, центромеры разделяются, хроматиды скапливаются у полюсов клетки, образуются новые ядерные оболочки, возникает перетяжка в центре клетки, и образуются две новые клетки. Следующий этап митоза – интерфаза, в которой гаплоидный набор хромосом подвергается удвоению (репликации): на каждой нити молекулы ДНК синтезируется комплементарная нить. Одновременно происходит рост клеток, их органоидов, белков, РНК и других частей. В итоге образуются две новые клетки, идентичные материнской. Примерно так же происходит образование половых клеток (мейоз), только он состоит из двух последовательных делений ядра. Из одной диплоидной клетки образуются четыре генетически разнородные гаплоидные клетки. При оплодотворении ядра гаплоидных гамет (половых клеток) образуют диплоидную клетку (зиготу), содержащую хромосомы обоих родителей. Так создается наследственное разнообразие организмов, создающее материал для естественного отбора.