Основы молекулярной генетики
Генетическая, или наследственная, информация – это информация об особенностях организации и функционирования биологической системы,
закодированная в молекулах-носителях.
Универсальной молекулой наследственности является особый класс биоорганических соединений – нуклеиновые кислоты (НК). По своему химическому составу НК делятся на дезоксирибонуклеиновую кислоту
(ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). Оба класса состоят из нуклеотидов, в состав которых входят следующие соединения:
1.Остаток 5-углеводного сахара – дезоксирибоза для ДНК или оксирибоза для РНК.
2.Фосфатная группа.
3.Одно из четырех азотистых оснований (аденин (А), гуанин (Г), тимин
(Т), цитозин (Ц) для ДНК или урацил (У) для РНК).
3.1. Структура и свойства ДНК. Понятие о геноме
ДНК является обязательным химическим компонентом любой клетки.
Основная масса ДНК содержится в ядрах клеток. Это, так называемая,
ядерная или хромосомная ДНК (95%). Небольшое количество ДНК находится в органоидах клетки (митохондриях, пластидах), формируя фракцию
цитоплазматической ДНК (5%). Рассмотрим структуру хромосомной ДНК.
Рис.1. Полинуклеотидная цепь молекулы ДНК.
Полинуклеотидная цепь молекулы ДНК образуется под действием фермента
ДНК-полимеразы и имеет два конца – 5’-фосфатный и 3’-гидроксильный,
определяющих ее направление. В клетке ДНК существует в виде двойной правозакрученной спирали, нити которой антипараллельны, т.е. имеют противоположную направленность 5’- и 3’-концов. Сцепление между цепями осуществляется водородными связями между аденином и тимином и между гуанином и цитозином. Такие специфичные пары азотистых оснований называются комплементарными, а сам принцип построения –
комплементарностью пар оснований. При этом количество пар А+Т равно количеству пар Ц+Г (правило Чаргаффа). Связи между комплементарными нуклеотидами настолько непрочные, что даже при относительно небольшом нагревании они рвутся, и молекула ДНК переходит в однонитевую форму –
денатурация ДНК. Но при нормализации условий взаимодополняющие друг друга комплементарные нити вновь объединяются, двунитевая структура восстанавливается – гибридизация ДНК.
Важной особенностью молекулы ДНК, определяющей ее как вещество наследственности, является способность точного самовоспроизводства в процессе деления клетки – репликация. Процесс репликации включает в себя несколько стадий:
1. Раскручивание суперспирали под контролем специальных ферментов
топоизомераз (гиразы и хеликазы); 2. Разрыв водородных связей между комплементарными цепями ДНК-
образование особой белково-нуклеиновой структуры – репликационной вилки;
Рис.2. Репликационная вилка.
3. Процесс синтеза инициируется присоединением комплементарных стартовому участку материнской ДНК особых затравок – праймеров,
представляющих собой олигонуклеотидные молекулы. При участии фермента ДНК-полимеразы они достраиваются и удлиняются на шаблоне
(матрице) материнской молекулы. Синтез новой цепи ДНК требует присутствия в среде отдельных «кирпичиков» для удлинения растущей молекулы – четырех видов дезоксирибонуклеотид-трифосфатов.
4. Спирализация вновь образованных молекул, каждая из которых содержит
старую (материнскую) и новую (дочернюю) цепи.
Такой способ репликации, при котором каждая цепь исходной молекулы
служит матрицей для синтеза дочерних цепей, называется
полуконсервативный.
Совокупность всей ДНК клетки представляет собой геном. Геном – это
полная генетическая система клетки, определяющая характер
онтогенетического развития организма и наследственную передачу в ряду поколений всех его структурных, функциональных и других признаков.
Термин «геном» используется так же для обозначения полного объема
генетической информации любой биологической системы (таксона, вида,
организма, клетки).
Длину молекулы ДНК принято выражать в парах оснований (п.о.),
тысячах п.о. (килобазы, кб), миллионах п.о. (мегабазы, мб). В настоящее время известно, что в состав ДНК соматической клетки человека входит около 3,2 миллиардов п.о.
Состав нуклеотидов в молекуле ДНК невероятно разнообразен. В ней различают: уникальные и повторяющиеся последовательности нуклеотидов.
Уникальные последовательности ДНК представлены единичными (от 1 до
10) копиями, составляют порядка 65% всей ДНК и представлены структурными генами. На долю повторяющихся последовательностей приходится около 35% нуклеотидов ДНК. Предполагается, что
повторяющиеся последовательности ДНК не только играют роль в
поддержании структурной организации генетического материала, но и участвуют в регуляции реализации генетической информации.
По характеру выполняемой функции нуклеотидные последовательности ДНК делятся на кодирующие и некодирующие.
Кодирующие последовательности нуклеотидов в составе ДНК представлены структурными генами. Они занимают не более 2% всей ДНК и относятся к классу уникальных последовательностей, представленных в геноме одной или несколькими копиями. Некодирующие
последовательности составляют около 98% генома, представлены умеренно-
и высокоповторяющимися последовательностями и выполняют структурную,
регуляторную и другие функции.
Виды и функции РНК
РНК – другой вид НК в клетке. Они представляют собой однонитевые короткоживущие структуры и имеют 2 разновидности:
● Информационная РНК (в иностранной литературе – матричная РНК) –
составляет не более 5% в клетке и является промежуточным продуктом передачи информации между ДНК и белком.
● Функциональная РНК – выполняет в клетке самостоятельную роль в зависимости от вида:
1. Рибосомная РНК (рРНК) – составляет 80% от общего количества РНК.
Является компонентом рибосом и принимает непосредственное участие в сборке рибосом и синтезе белка.
2.Транспортная РНК (тРНК) – 15% от общего количества РНК. Доставляет аминокислоты к месту синтеза белка.
3.Малые цитоплазматические РНК (мцРНК) – участвуют в транспорте белков в клетках
4.Малые ядерные РНК (мяРНК) – небольшие молекулы, которые участвуют в процессе созревания информационной РНК.