І. 8. Мейоз

Розуміння того факту, що статеві клітини гаплоїдні і тому повинні формуватися за допомогою особливого механізму клітинного поділу практично вперше навело на думку, що хромосоми містять генетичну інформацію. Хромосомна теорія спадковості довела, що роль батька й матері у визначенні ознак спадкоємців є однаковою, хоча різниця в розмірах яйцеклітини та сперматозоїда вражаюча. І ще один важливий момент зазначеного відкриття полягає в тому, що статеві клітини повинні формуватися внаслідок ядерного поділу особливого типу, при якому весь набір хромосом ділиться точно навпіл. Тільки в цьому випадку можливе відновлення диплоїдного набору хромосом під час запліднення.

Механізм поділу при мейозі. Диплоїдні ядра містять по дві копії кожної хромосоми, одна з яких походить від чоловічого, а інша – від жіночого організму. Це не стосується лише статевих хромосом. Ці дві копії називаються гомологами і в більшості клітин вони ведуть себе як повністю незалежні хромосоми. Коли завдяки реплікації ДНК кожна хромосома подвоюється, дві її копії залишаються спочатку з’єднаними разом (їх називають сестринськими хроматидами). У цей час кожна хромосома здається неподвоєною, тому що сестринські хроматиди вже тісно зближені. При звичайному клітинному поділі, мітозі, сестринські хроматиди шикуються в екваторіальній площині і відокремлюються одна від одної (після цього вони вже називаються хромосомами), і кожна із дочірніх клітин успадковує по одній копії кожного гомолога. Гаплоїдні гамети, що утворилися при поділі диплоїдної клітини шляхом мейозу, містять по одній хромосомі кожної гомологічної пари (батьківську або материнську). Таким чином, гомологи «пізнають» один одного і об’єднуються в пари, перед тим як вишикуватися на екваторі веретена. Таке пізнавання, або кон’югація, спарювання гомологічних хромосом материнського та батьківського походження відбувається тільки в мейозі. Під час кон’югації відбувається кросинговер, або генетична рекомбінація між батьківською та материнською хроматидами - обмін ділянками між гомологічними хромосомами. Два гомологи залишаються зв’язаними в тих місцях, де відбувся кросинговер. Ця точка називається хіазмою.

Дві зближені гомологічні хромосоми називаються синаптоненальним комплексом. У цьому комплексі кожен ген торкається гомологічного йому гена. Сестринські хроматиди поводять себе як одне ціле. Кожну пару хромосом, під час кон’югації називають бівалентом.

Оскільки кожна гомологічна пара хромосом складається із тісно зближених сестринських хроматид, для кожної пари більше підходить інша назва – тетрада. Бівалент розташовується на екваторі веретена і в анафазі дупліковані гомологи (кожен з яких складається із двох сестринських хроматид) відокремлюються один від одного і розходяться до протилежних полюсів, при чому в кожному з них дві сполучені сестринські хромосоми залишаються з’єднаними. Таким чином, при першому поділі мейоза кожна дочірня клітина успадковує дві копії одного із двох гомологів і тому містить диплоїдну кількість ДНК.

Тепер утворення гаплоїдних ядер гамет може дуже просто відбутися внаслідок другого поділу мейозу, під час якого хромосоми вишикуються на екваторі нового веретена і без подальшої реплікації ДНК сестринські хроматиди відділяються одна від іншої, утворюючи гамети - клітини з гаплоїдним набором ДНК.

Значення мейозу.

1. Статеве розмноження. Внаслідок мейозу утворюється чотири дочірні клітини, кожна з яких містить половинне (гаплоїдне) число хромосом у порівнянні з батьківською клітиною. При подальшому заплідненні ядра двох статевих клітин (гамет) зливаються, утворюючи зиготу, котра містить постійне для кожного виду число хромосом (диплоїдне). Таким чином, завдяки мейозу та гаплоїдності гамет, зберігається постійне для кожного виду число хромосом. Це дозволяє виду продовжує існувати як постійній одиниці.

2. Генетична мінливість. Мейоз складає також можливості для виникнення в гаметах нових генних комбінацій. Це приводить до змін у генотипі й фенотипі спадкоємців, отриманих внаслідок злиття гамет.

Практично необмеженими джерелами генетичної мінливості слугують процеси, що відбуваються під час мейозу.

1.) Обмін генами між хроматидами гомологічних хромосом (кросинговер) котрий відбувається в профазі 1 мейозу. Він створює нові групи зчеплення і таким чином слугує важливим джерелом генетичної рекомбінації алелей.

(Група зчеплення – це всі гени однієї хромосоми, хоча повне зчеплення зустрічається рідко. Алель – альтернативні форми гена (домінантна та рецесивна), що визначають його реалізацію в фенотипі. Алель – це конкретні форми, котрими може бути представлений ген, і вони займають одне й теж місце – локус, в гомологічних хромосомах).

2.) Напрямок, в якому кожен член пари гомологічних хромосом буде рухатися, визначається розташуванням пар гомологічних хромосом (бівалентів) у екваторіальній площині веретена в метафазі першого поділу мейозу. Їх орієнтація має випадковий характер. Під час метафази дрого поділу пари хроматид знов таки орієнтуються випадково і цим визначається, до якого із полюсів буде спрямована та чи інша хромосома під час анафази. Випадкова орієнтація та послідуюче незалежне розходження хромосом роблять можливим більше число різних хромосомних комбінацій в гаметах.

3.) Нарешті, третє джерело мінливості при статевому розмноженні – це випадкове злиття чоловічих та жіночих гамет, яке приводе до об’єднання двох гаплоїдних наборів хромосом у диплоїдному ядрі зиготи. Будь-яка чоловіча гамета потенційно здатна злитися з будь-якою жіночою гаметою.

І. 9. ДНК, генетичний код, синтез білку.

Будова ДНК. Американський вчений Джеймс Д. Уотсон та англійський Френсіс Крік, вважали, що ДНК, а не білок являє собою основу спадковості.

На початку 50-х років вже була накопичена деяка інформація про будову ДНК.,

1. ДНК подвійна спіраль;

2. Три її компонента (азотиста основа, цукор та фосфат) утворюють нуклеотиди. В нуклеотидах присутні чотири азотисті основи – аденін (А) та тімін (Т), гуанін (G) та цитозін (С). Тільки ці дві пари: А-Т, Г-Ц, можуть зв’язуватися за допомогою водневих зв’язків і називаються комплементарними.. Ця відповідність визначених азотистих основ забезпечує з’єднання двох ланцюгів ДНК.

3. У ланцюгу нуклеотиди зв’язані через цукор (дезоксирибозу) одного нуклеотида та фосфатноу групу іншого. Чергування цукрів та фосфатів утворює скелет ланцюгу ДНК.

На думку Уотсона та Кріка, молекула ДНК може бути носієм спадкової інформації за виконання наступних вимог до її будови та функціювання.

1.) ДНК повинна бути достатньо великою для зберігання спадкової інформації. Адже набір генів котрі управляють розвитком будь-якого організму повинен бути дуже великим.

2.) Інформаційний об'єм ДНК також повинен бути надзвичайно великий, тому що послідовність нуклеотидів кожного ланцюгу подвійної спіралі може бути будь-якою. А оскільки довжина молекули ДНК складається із декількох тисяч нуклеотидів, то можлива й велика кількість варіантів розташування нуклеотидов;

3.) ДНК повинна подвоюватися перед кожним клітинним поділом (реп лікуватися), з великою точністю. Це є також умовою переносу інформації із клітини в клітину.

Ця умова виконується перед кожним клітинним поділом. Під час реплікації водневі зв’язки між азотистими основами рвуться, молекула ДНК розплітається. Два ланцюги розходяться і вздовж кожного утворюється новий із вільних нуклеотидів, що знаходяться в ядрі. Відбудова ланцюгів відбувається за принципом комплементарності А-Т, Г-Ц за рахунок вільних нуклеотидов.

4) У ДНК повинні час від часу відбуватися ”помилки”, тобто первісна послідовність нуклеотидів повинна змінюватися, а ці зміни повинні копіюватися. Такі порушення відбуваються під дією різних мутагенних факторів. Без здатності копіювати “помилки” не може бути еволюції шляхом природнього добору;

5) ДНК повинна бути зв’язана з якимось механізмом “зчитування” накопиченої в ній інформації. Таким механізмом є послідовна транскрипція та трансляція, тобто перетворення послідовності розташування нуклеотидів у ДНК у послідовність розташування амінокислот у білку. Ця залежність між нуклеотидами та амінокислотами відома під назвою генетичного коду.

Структура генетичного коду. Існує декілька визначень поняття ген.

Ген – це найменша ділянка хромосоми, котра може бути відділена від ділянок, що прилягають до неї внаслідок кросинговеру (Морган).

Ген – найменша ділянка хромосоми, здатна до мутації.

Ген – найменша ділянка хромосоми, що обумовлює синтез визначеного продукту.

Останнє визначення найбільш вдале, але в ньому не вказано, якого роду продукт синтезується. Це визначення з'явилось внаслідок досліджень Бідла та Татума (1941 р.). Сформульована ними гіпотеза, відома під назвою “один ген – один фермент”, знайшла багато підтверджень у молекулярній біології. Потім вона була перетворена у функціональну концепцію “один ген – один поліпептид”, бо з’ясувалося, що геном кодуються не лише ферменти, а й інші білки – структурні, транспортні та ін.

Отже, до складу ДНК входить чотири нуклеотиди або азотисті основи – А (аденін), Т (тімін) та Г (гуанін), Ц (цитозін). В той же час у складі білків визначено 20 амінокислот. Якби один нуклеотид визначав положення однієї амінокислоти у первинній структурі білку, то цей білок міг би містити тільки чотири види амінокислот. Якби кожна амінокислота кодувалася двома різними нуклеотидами, то за допомогою такого коду можна було б визначити 16 амінокислот. Якщо б одна амінокислота позначалась трьома основами, то таким способом можна було б позначити 64 амінокислоти. Цього цілком досить для кодування 20 амінокислот. Таким чином, було теоретично з’ясовано триплетність генетичного коду. Експериментально це довів Френсіс Крік у 1961 р.

Синтез білку. Дані про послідовність розташування амінокислот в білках знаходяться в ДНК, а та - в ядрі. Але ще на початку п’ятидесятих років було показано, що синтез білку відбувається в цитоплазмі за участі рибосом. Зрозуміло, що повинна існувати речовина - посередник, яка переносить генетичну інформацію із ядра в цитоплазму. В 1961 р. два французьких біохіміка Жакоб і Моно передбачили, що цим посередником виступає особлива РНК – матрична (м-РНК) або інформаційна (і-РНК).

Транскрипція. Транскрипцією називають механізм, за допомогою якого послідовність азотистих основ в одному із ланцюгів ДНК “переписується” в комплементарну їй послідовність основ м-РНК.

У присутності ферменту РНК-полімерази подвійна спіраль ДНК розкручується внаслідок розриву водневих зв’язків між комплементарними основами і із вільних нуклеотидів будується полінуклеотидний ланцюг м-РНК (замість Т (тіміну) в м-РНК - У (урацил)). Механізм, за допомогою якого один з двох ланцюгів вибирається в якості матриці поки що невідомий. Під час транскрипції копіюється фрагмент молекули ДНК, в якому в послідовності нуклеотидів закодована послідовність амінокислот у майбутньому білку. Таким чином, м-РНК являє собою комплементарну копію ділянки ланцюгу ДНК - гену. М-РНК(І-РНК) складає 3-5% всієї клітинної РНК.

Трансляція. Це механізм, за допомогою якого послідовність триплетів нуклеотидів у молекулах м-РНК переводиться в специфічну послідовність амінокислот в поліпептидному ланцюгу.

Для кожної амінокислоти існує специфічна транспортна РНК (т-РНК) і всі вони транспортують відповідні амінокислоти, що знаходяться в цитоплазмі, до рибосом. Таким чином, т-РНК зв’язують триплетний код, що міститься в м-РНК та амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюгу. На т-РНК припадає близько 15% всієї клітинної РНК. Послідовність азотистих основ у триплеті антикодону т-РНК строго відповідає певній амінокислоті, котру вона переносить. Кожна амінокислота приєднується до своєї специфічної т-РНК за учасюі фермента т-РНК-синтетази.

Трансляція відбувається на рибосомах. М-РНК обернено приєднується до поверхні малої субодиниці в присутності іонів магнію. Якщо кодон м-РНК та антикодон т-РНК комплементарні один одному, амінокислота відщеплюється від т-РНК і приєднується до попередньої амінокислоти в поліпептидному ланцюгу.

Рибосомальна РНК (р-РНК) складає більше 80% всієї РНК клітини. Кодується особливими генами, що знаходяться в декількох хромосомах, розташованих в ділянці ядерця. Р-РНК міститься в цитоплазмі, де вона зв’язується з білковими молекулами, утворюючи з ними органели – рибосоми. На рибосомах відбувається синтез білку. Тут “код”, який знаходиться в м-РНК, транслюється в амінокислотну послідовність поліпептидного ланцюгу, що будується. Рибосоми часто утворюють групи, сполучаючись одна з другою одним ланцюгом м-РНК. Такі групи – полірибосоми, або полісоми роблять можливим одночасний синтез декількох молекул поліпептиду за участю однієї молекули м-РНК. .

Функція рибосоми полягає в тому, щоб утримувати в потрібному положенні м-РНК, т-РНК і білки - ферменти, які приймають участь у трансляції, до того моменту, поки амінокислоти не об'єднаються в поліпептидний ланцюг. Як тільки нова амінокислота приєднується до попередньої, рибосома переміщується по нитці м-РНК для того, щоб зафіксувати наступний кодон. Звільнена від амінокислоти т-РНК повертається в цитоплазму, де вона реактивується ферментами з тим, щоб утворити комплекс з новою амінокислотою. Таке послідовне “зчитування” рибосомою поміщеного в м-РНК “тексту” продовжується до тих пір, поки процес не доходить до одного із стоп-кодонів, який сигналізує про припинення процесу. По цьому поліпептидний ланцюг залишає рибосому, трансляцію завершено. Після того, як поліпептидні ланцюги відокремились від рибосом, вони можуть зразу набути властиву їм вторинну, третинну або четвертинну структуру.