- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •РАЗДЕЛ I
- •ЖИЗНЬ КАК ОСОБОЕ ПРИРОДНОЕ ЯВЛЕНИЕ
- •ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИЗНИ
- •1.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИИ
- •1.2. СТРАТЕГИЯ ЖИЗНИ. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ, ПРОГРЕСС, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ
- •И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
- •1.3. СВОЙСТВА ЖИЗНИ
- •1.4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
- •1.6. ВОЗНИКНОВЕНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ
- •1.9. ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ У ЛЮДЕЙ. БИОСОЦИАЛЬНАЯ ПРИРОДА ЧЕЛОВЕКА
- •РАЗДЕЛ II
- •КЛЕТОЧНЫЙ И МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ — ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ
- •ГЛАВА 2
- •КЛЕТКА — ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЕДИНИЦА ЖИВОГО
- •2.1. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ
- •2.2. ТИПЫ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
- •2.3. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ
- •2.3.2. Строение типичной клетки многоклеточного организма
- •2.3.3. Поток информации
- •2.3.4. Внутриклеточный поток энергии
- •2.3.5. Внутриклеточный поток веществ
- •2.3.6. Другие внутриклеточные механизмы общего значения
- •2.3.7. Клетка как целостная структура. Коллоидная система протоплазмы
- •2.4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ КЛЕТКИ ВО ВРЕМЕНИ
- •2.4.1. Жизненный цикл клетки
- •2.4.2. Изменения клетки в митотическом цикле
- •3.1. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ — ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО
- •3.2. ИСТОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИАЛЬНОГО СУБСТРАТА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ
- •3.3. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА И УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА
- •3.4. ГЕННЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА
- •3.4.1. Химическая организация гена
- •3.4.1.1. Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика
- •3.4.1.2. Способ записи генетической информации в молекуле ДНК. Биологический код и его свойства
- •3.4.2 Свойства ДНК как вещества наследственности
- •3.4.2.1. Самовоспроизведение наследственного материала. Репликация ДНК
- •3.4.2.2. Механизмы сохранения нуклеогидной последовательности ДНК. Химическая стабильность. Репликация. Репарация
- •3.4.2.5. Функциональная классификация генных мутаций
- •3.4.3. Использование генетической информации
- •3.4.3.1. Роль РНК в реализации наследственной информации
- •3.4.3.3. Ген — функциональная единица наследственного материала. Взаимосвязь между геном и признаком
- •3.4.4. Функциональная характеристика гена
- •3.4.5. Биологическое значение генного уровня организации наследственного материала
- •3.5. ХРОМОСОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
- •3.5.1. Некоторые положения хромосомной теории наследственности
- •3.5.2.1. Химический состав хромосом
- •3.5.2.2. Структурная организация хроматина
- •3.5.2.3. Морфология хромосом
- •3.5.3. Проявление основных свойств материала наследственности и изменчивости на хромосомном уровне его организации
- •3.5.3.3. Изменения структурной организации хромосом. Хромосомные мутации
- •3.5.4. Значение хромосомной организации в функционировании
- •3.5.5. Биологическое значение хромосомного уровня организации наследственного материала
- •3.6. ГЕНОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА
- •3.6.1. Геном. Генотип. Кариотип
- •3.6.2.1. Самовоспроизведение и поддержание постоянства кариотипа в ряду поколений клеток
- •3.6.2.2. Механизмы поддержания постоянства кариотипа
- •3.6.2.3. Рекомбинация наследственного материала в генотипе. Комбинативная изменчивость
- •3.6.3. Особенности организации наследственного материала
- •3.6.4. Эволюция генома
- •3.6.4.1. Геном предполагаемого общего предка про- и эукариот
- •3.6.4.2. Эволюция прокариотического генома
- •3.6.4.3. Эволюция эукариотического генома
- •3.6.4.4. Подвижные генетические элементы
- •3.6.4.5. Роль горизонтального переноса генетического материала
- •3.6.5. Характеристика генотипа как сбалансированной по дозам системы взаимодействующих генов
- •3.6.5.2. Взаимодействия между генами в генотипе
- •3.6.6. Регуляция экспрессии генов на геномном уровне организации наследственного материала
- •3.6.6.1. Общие принципы генетического контроля экспрессии генов
- •3.6.6.3. Регуляция экспрессии генов у прокариот
- •3.6.6.4. Регуляция экспрессии генов у эукариот
- •3.6.7. Биологическое значение геномного уровня организации наследственного материала
- •КЛЕТОЧНЫЕ
- •У ЧЕЛОВЕКА
- •4.2. КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ
- •У ЧЕЛОВЕКА
- •4.2.1. Соматические мутации
- •4.2.2. Генеративные мутации
- •ГЛАВА 5
- •РАЗМНОЖЕНИЕ
- •5.1. СПОСОБЫ И ФОРМЫ РАЗМНОЖЕНИЯ
- •5.2. ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
- •5.2.1. Чередование поколений
- •5.3. ПОЛОВЫЕ КЛЕТКИ
- •5.3.1. Гаметогенез
- •5.3.2. Мейоз
- •5.4. ЧЕРЕДОВАНИЕ ГАПЛОИДНОЙ
- •5.5. ПУТИ ПРИОБРЕТЕНИЯ ОРГАНИЗМАМИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
- •В ФОРМИРОВАНИИ ФЕНОТИПА
- •6.1.1. Модификационная изменчивость
- •6.1.2. Роль наследственных и средовых факторов
- •6.1.2.1. Доказательства генетического определения признаков пола
- •6.1.2.2. Доказательства роли факторов среды
- •6.2. РЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ В ИНДИВИДУАЛЬНОМ РАЗВИТИИ. МУЛЬТИГЕННЫЕ СЕМЕЙСТВА
- •6.3.1.2. Одновременное наследование нескольких признаков. Независимое и сцепленное наследование
- •6.3.2. Закономерности наследования внеядерных генов. Цитоплазматическое наследование
- •6.4. РОЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И СРЕДЫ
- •6.4.1. Наследственные болезни человека
- •6.4.1.1. Хромосомные болезни
- •6.4.1.4. Болезни с нетрадиционным типом наследования
- •6.4.3. Методы изучения генетики человека
- •6.4.3.1. Генеалогический метод
- •6.4.3.2. Близнецовый метод
- •6.4.3.4. Методы дерматоглифики и пальмоскопии
- •6.4.3.5. Методы генетики соматических клеток
- •6.4.3.6. Цитогенетичвский метод
- •6.4.3.7. Биохимический метод
- •6.4.3.8. Методы изучения ДНК в генетических исследованиях
- •6.4.4. Пренатальная диагностика наследственных заболеваний
- •6.4.5. Медико-генетическое консультирование
- •ПЕРИОДИЗАЦИЯ ОНТОГЕНЕЗА
- •7.1. ЭТАПЫ. ПЕРИОДЫ И СТАДИИ ОНТОГЕНЕЗА
- •7.2. ВИДОИЗМЕНЕНИЯ ПЕРИОДОВ ОНТОГЕНЕЗА, ИМЕЮЩИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ И ЭВОЛЮЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ
- •7.3. МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЯИЦ ХОРДОВЫХ
- •7.4. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ И ПАРТЕНОГЕНЕЗ
- •7.5. ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ
- •7.5.1. Дробление
- •7.5.2. Гаструляция
- •7.5.3. Образование органов и тканей
- •7.5.4. Провизорные органы зародышей позвоночных
- •7.6. ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ И ЧЕЛОВЕКА
- •7.6.1. Периодизация и раннее эмбриональное развитие
- •7.6.2. Примеры органогенезов человека, отражающих эволюцию вида
- •8.1. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ
- •8.2. МЕХАНИЗМЫ ОНТОГЕНЕЗА
- •8.2.1. Деление клеток
- •8.2.2. Миграция клеток
- •8.2.3. Сортировка клеток
- •8.2.4. Гибель клеток
- •8.2.5. Дифференцировка клеток
- •8.2.6. Эмбриональная индукция
- •8.2.7. Генетический контроль развития
- •8.3. ЦЕЛОСТНОСТЬ ОНТОГЕНЕЗА
- •8.3.1. Детерминация
- •8.3.2. Эмбриональная регуляция
- •8.3.3. Морфогенез
- •8.3.4. Рост
- •8.3.5. Интегрированность онтогенеза
- •8.4. РЕГЕНЕРАЦИЯ
- •8.5.1. Изменение органов и систем органов в процессе старения
- •8.6.1. Генетика старения
- •8.6.2. Влияние на процесс старения условий жизни
- •8.6.3. Влияние на процесс старения образа жизни
- •8.6.4. Влияние на процесс старения эндоэкологической ситуации
- •8.8. ВВЕДЕНИЕ В БИОЛОГИЮ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ ЛЮДЕЙ
- •8.8.2. Вклад социальной и биологической компонент в общую смертность в историческом времени и в разных популяциях
- •9.1. КРИТИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ
- •9.3. ЗНАЧЕНИЕ НАРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ОНТОГЕНЕЗА В ФОРМИРОВАНИИ ПОРОКОВ РАЗВИТИЯ
- •РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
последовательностью нуклеотидов в ДНК соответствующего гена и является
элементарным, или простым, признаком.
Основные свойства гена как функциональной единицы генетического аппарата определяются его химической организацией,
3.4.1. Химическая организация гена
Исследования, направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярной массой. Это полимеры, состоящие из мономеров — нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин или пиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1' присоединяется азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атому углерода С-5' с помощью эфирной связи — фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа — ОН (рис. 3.1).
Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь (рис. 3.2). В результате образуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1' присоединено одно из перечисленных выше азотистых оснований (рис. 3.3).
Рис. 3.1. Схема строения нуклеотида
Объяснение см. в тексте; обозначения компонентов нуклеотида, использованные в этом рисунке, сохраняются во всех последующих схемах нуклеиновых кислот
Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии фермента полимеразы, который обеспечивает присоединение фосфатной группы следующего
66
нуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3', предыдущего нуклеотида (рис. 3.3). Благодаря отмеченной специфике действия названного фермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце: там, где находится свободный гидроксил в положении 3'. Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5'. Это позволяет выделить в ней 5' и 3 '-концы.
Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений:
дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала — хромосом — обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.
Рис. 3.2. Схема соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь
Рис. 3.3. Схема полинуклеотидной цепи (стрелкой указано направление роста цепи) Присоединение очередного нуклеотида сопровождается образованием эфирной связи между ОН-группой на 3'-конце полинуклеотидной цепи и фосфатом свободного нуклеотида, остальные пояснения см. в тексте
3.4.1.1. Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика
67
ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар — дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований — пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин).
Особенностью структурной организации ДНК является то, что ее молекулы включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. В соответствии с трехмерной моделью ДНК, предложенной в 1953 г. американским биофизиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении.
Рис. 3.4. Схема строения молекулы ДНК Стрелками обозначена антилараллельность целей
Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот (рис. 3.4).
Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага — 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.
68
Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными — при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Большинство молекул ДНК в растворе находится в правозакрученной — В-форме (В-ДНК). Однако встречаются также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Пространственные модели левоэакрученной Z-формы (I)
и правозакрученной В-формы (II) ДНК
Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить
первичную структуру —полинуклеотидную цепь, вторичную структуру—две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру — трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками.
3.4.1.2. Способ записи генетической информации в молекуле ДНК. Биологический код и его свойства
Первично все многообразие жизни обусловливается разнообразием белковых молекул, выполняющих в клетках различные биологические функции. Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в их пептидных цепях. Именно эта последовательность аминокислот в пептидах зашифрована в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода.
69
Относительная примитивность структуры ДНК, представляющей чередование всего лишь четырех различных нуклеотидов, долгое время мешала исследователям рассматривать это соединение как материальный субстрат наследственности и изменчивости, в котором должна быть зашифрована чрезвычайно разнообразная информация.
В1954 г. Г. Гамовым было высказано предположение, что кодирование информации в молекулах ДНК должно осуществляться сочетаниями нескольких нуклеотидов. В многообразии белков, существующих в природе, было обнаружено около 20 различных аминокислот. Для шифровки такого их числа достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в
котором каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами. В этом случае из четырех нуклеотидов образуется 43 = 64 триплета. Код, состоящий из двух нуклеотидов, дал бы возможность зашифровать только 42 = 16 различных аминокислот.
Полная расшифовка генетического кода проведена в 60-х гг. нашего столетия. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или «нонсенс-триплетов». Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ.
Обращает на себя внимание явная избыточность кода, проявляющаяся в том, что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами (рис. 3.6). Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нукле-отида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует ту же самую аминокислоту.
Впроцессе изучения свойств генетического кода была обнаружена его специфичность. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Интересным фактом является полное соответствие кода у различных видов живых организмов. Такая универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции.
Незначительные отличия генетического кода обнаружены в ДНК митохондрий некоторых видов. Это не противоречит в целом положению об универсальности кода, но свидетельствует в пользу определенной дивергентности в его эволюции на ранних этапах существования жизни. Расшифровка кода в ДНК митохондрий различных видов показала, что во всех случаях в митохондриальных ДНК отмечается общая особенность: триплет АЦТ читается как АЦЦ, и поэтому из нонсенс-триплета превращается в шифр аминокислоты триптофана.
70
71