2. Физико-химическая структура днк.

Дезоксири6онуклеиновая кис­лота (ДНК). Роль хранителя наследственной информации у всех клеток - животных и рас­тительных- - принадлежит ДНК. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Ширина та­кой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч больше – она достигает сотен тысяч нанометров. Таким образом, вдоль молекул ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул. Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика – она достигает десятков и даже сотен миллионов.

Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотид – это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. У всех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.

Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют: аденин, гуанин, тимин, цитозин. По размерам А равен Г, в Т равен Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц.

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью.

Каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Двойная спираль ДНК под влиянием фермента начинает с од­ного конца раскручиваться, и на каждой цепи из находящихся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности. Против каждого А встает Т, против Г – Ц и т. д. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная. Одна цепь в каждой вновь образовавшейся молекуле ДНК происходит из первоначальной молекулы, а дру­гая синтезируется вновь.{2, c136-137}

3. Свойства генетического кода.

Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в информационной РНК.

Свойства генетического кода:

1. Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то 16 из 20 аминокислот остались бы не зашифрованы. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот . Природа создала трехбуквенный, или триплетный код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодом.

2. Код выражден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодом. Исключения составляют аминокислоты метионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом. Тот факт, что метионин кодируется одним триплетом АУГ, имеет особый смысл.

3. Код однозначен. Каждый код шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию о β – цепи гемоглобина, триплет ГАА или ГАГ, стоящем на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту.

4. Между генами имеются «знаки препинания». В печатном тексте в конце каждой фразы стоит точка. Несколько связанных по смыслу фраз составляют абзац. На языке генетической информации таким абзацем являются оперон и комплементарная ему и – РНК. Каждый ген в опероне кодирует одну полипептидную цепочку – фразу. Так как в ряде случаев по матрице и – РНК последовательно создается несколько разных полипептидных цепей, они должны быть отделены друг от друга. Для этого в генетическом коде существуют три специальные триплеты – УАА, УАГ, УГА. Таким образом, эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена.

5. Внутри гена нет «знаков препинания». Поскольку генетический код подобен языку, разберем это свойство на примере такой составленной из триплетов фразы: жил был кот тих был сер мил мне тот кот.

Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие «знаков препинания». Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица: илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от

Нарушение смысла возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который будет считываться с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном.

6. Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. {3, c146-148}

4. Объясните что такое: репликация, транскрипция, трансляция.

Репликация – удвоение молекул ДНК. В результате этого сложного процесса образуются две двойные спирали ДНК. Эти молекулы ничем не отличаются друг от друга и от исходной «материнской» молекулы ДНК. Репликация происходит в клетке перед делением, поэтому каждая «дочерняя» клетка получает точно такие же молекулы ДНК, какие имела «материнская» клетка. Процесс репликация основан на ряде принципов:

1. Комплементарность. Каждая из двух цепей «материнской» молекулы ДНК служит матрицей для синтеза дополняющей ее комплементарной цепи.

2. Полуконсервативность. В результате репликации образуются две двойные «дочерние» спирали, каждая из которых сохраняет в неизменном виде одну из половин «материнской» ДНК. Дочерние ДНК ничем не отличаются друг от друга и от материнской двойной спирали.

3. Антипараллельность. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию. Один конец несет гидроксильную группу, на другом конце цепи находится остаток фосфорной кислоты. Две комплементарные цепи в молекуле ДНК расположены в противоположных направлениях. Ферменты синтезирующие новые нити ДНК, называемые ДНК – полимеразами, могут передвигаться вдоль матричных цепей лишь в одном направлении. Поэтому в процессе репликации одновременно синтез новых цепей идет антипараллельно.

4. Прерывистость. Для того чтобы новые нити ДНК были построены по принципу комплементарности, двойная спираль должна быть раскручена и родительские цепи вытянуты. Только в этом случае ДНК – полимераза способна двигаться по «материнским» нитям и использовать их в качестве матрицы для безошибочного синтеза «дочерних» цепей. Но раскручивание спиралей, состоящих из многих миллионов пар нуклеотидов, сопряжено со столь значительным количеством вращений и такими энергетическими затратами, которые невозможны в условиях клетки. Поэтому репликация начинается одновременно в нескольких местах молекулы ДНК. Участок между двумя точками, в которых начинается синтез «дочерних» цепей, называется репликоном. Он является единицей репликации.

Транскрипция – процесс считывания или синтеза РНК, осуществляемый РНК – полимеразой.

ДНК – носитель всей генетической информации в клетке – непосредственного участия в синтезе белков не принимает. В клетках животных и растений молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра и отделены ядерной мембраной от цитоплазмы, где происходит синтез белков. К рибосомам – местам сборки белков – высылается из ядра несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной мембраны. Таким посредником является информационная РНК. Она и осуществляет транскрипцию.

Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон, в состав которого входят один или несколько структурных генов, т.е. генов, несущих информацию о структуре белка. Перед этими генами, в начале оперона, расположен промотор – «посадочная площадка» для фермента РНК – полимеразы. Между промотором и структурными генами в опероне, располагается участок ДНК, называемый оператором. Если с оператором связан особый белок – репрессор, то РНК – полимераза не может начать синтез и – РНК.

В процессе транскрипции можно выделить 4 стадии:

1. Связывание РНК – полимеразы с промотором.

2. Инициация - начало синтеза. Она заключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между АТФ или ГТФ и вторым нуклеотидом синтезирующейся молекулы – РНК.

3. Элонгация – рост цепи РНК, т.е. последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные нуклеотиды в транскрибируемой нити ДНК. Скорость элонгации достигает 50 нуклеотидов в секунду.

4. Терминация – завершение синтеза и - РНК.

Трансляция – синтез полипептидных цепей белков по матрице и – РНК, выполняемый рибосомами. Первая рибосома вступает на нитевидную молекулу и-РНК с левого конца и начинает синтез белка. По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК. Когда рибосома продвинется вперед, с того же конца на и-РНК входит вторая рибосома, которая, как и первая, начинает синтез и движется вслед за первой рибосомой. Затем на и-РНК вступает третья рибосома, четвертая и Т. д. Все они выпол­няют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и-РНК. Чем дальше впра­во продвинулась рибосома по и-РНК, тем больший отрезок белко­вой молекулы «собран». Когда рибосома достигает правого конца и-РНК, синтез окончен. Рибосома с образовавшимся белком схо­дит с и-РНК. Затем они расходятся: рибосома - на любую и-РНК (так как она способна к синтезу любого белка; характер белка зависит от матрицы и-РНК), белковая молекула - в эндоплазма­тическую сеть и по ней перемещается в тот участок клетки, где требуется данный вид белка. С левого конца и-РНК на нее вступа­ют все новые и новые рибосомы, и синтез белка идет непрерывно. Число рибосом, умещающихся одновременно на молекуле и-РНК, зависит от ее длины. Так, на молекуле и-РНК, которая программирует синтез белка гемоглобина, помещается до пяти рибосом.

Размер участка рибосомы, в котором происходит трансляция, соответствует длине 6 нуклеотидов, Т. е. двум триплетам. Сле­довательно, когда рибосома скользит по и-РНК, в функциональ­ном центре рибосомы (ФЦР) всегда одновременно находятся 2 соседних триплета нуклеотидов.

Рибосома перемещается по и-РНК с триплета на триплет, но не плавно, а прерывисто, «шажками». Закончив трансляцию одного триплета, она перескакивает на соседний триплет и на мгновение останавливается. Операция трансляции занимает не более 1/5-1/6 с, и полипептидная цепь удлиняется на одно звено. Далее следует «шажок» на соседний триплет, снова короткая остановка, и т. д. до конца пути по и - РНК•

Рибосома уже прошла некоторый путь по и-РНК, она уже транслировала несколько триплетов, и в резуль­тате синтезирован небольшой полипептид, который свисает с рибо­сомы.В ФЦР находятся два триплета и-РНК: ЦГУ и ГУЦ. ЦГУ - это триплет, трансляция которого закончена; ГУЦ - это триплет, трансляция которого начинается. ГУЦ пока свободен, а ЦГУ комплементарно связан с т-РНК, с которой свисает полипептид­ная цепочка.

К ГУЦ по правилу комплементарности присоединяется кодовым триплетом т-РНК, несущая аминокислоту валин (вал). Доставленная аминокислота (вал) и верхний аминокислотный остаток полипептидной цепи (арг) оказываются рядом. Между ними возникает пептидная связь. полипептидная цепь удлиняется на одно звено.

Полипептидная цепочка перебрасывается с правого нуклеотида (ЦГУ) на левый (ГУЦ) и повисает на нем.

Рибосома скачком перемещается на следующий триплет. Триплет ЦГУ сего т-РНК оказывается за пределами ФЦР, т-РНК отрывается от ЦГУ и выталкивается из рибосомы.

Далее все стадии повторяются, и полипептидная цепь растет звено за звеном. Так работает рибосома - этот удивительный органоид клетки, который по праву называют «молекулярным автоматом» синтеза белка.

Совсем недавно, в начале 50-х годов, впервые белок был синтезирован искусственно. Это был инсулин, полипептидная цепь которого состоит всего из 51 аминокислотного остатка. Для его синтеза потребовалось провести около 5000 операций. В этой работе принимали участие 10 человек в течение трех лет. В лабораторных условиях синтез белка требует огромных усилий, времени и средств. В живой клетке синтез одной молекулы белка, состоящей из 200-300 аминокислотных звеньев, завер­шается очень быстро - в 1-2 мин. {3, c 317, 326-330}

5. Какие мутации не являются материалом для эволюции и почему?

Генные синонимичные мутации не являются материалом для эволюции, т. к. не происходит изменения в белке. (Лекция)

6. Ген

Ген (от греч. genos – род, происхождение) (наследственный фактор), единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака. У высших организмов (эукариот) входит в состав хромосом. Совокупность всех генов данного организма составляет его генетическую конституцию – генотип. Дискретные наследственные факторы были открыты в 1865 Г. Менделем; в 1909 В. Иогансен назвал их генами. Развитие молекулярной генетики привело к раскрытию химической природы генетического материала и представлению о гене как об участке молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК) со специфическим набором нуклеотидов, в линейной последовательности которых закодирована генетическая информация. Каждый ген ответственен за синтез определенного белка (фермента и др.). Контролируя их образование, гены управляют всеми химическими реакциями организма и определяют таким образом его признаки. Уникальное свойство гена – сочетание их высокой устойчивости (неизменяемости в ряду поколений) со способностью к наследуемым изменениям – мутациям, которые являются источником генетической изменчивости организмов и основой для действия естественного отбора. {2, c125}

7. Аллель

Аллели – различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных (парных) хромосом; определяют варианты развития одного и того же признака. В нормальной диплоидной клетке может присутствовать не более двух аллелей одновременно. {1, c26}

8. Хромосомы

Хромосомы- нитевидная структура клеточного ядра, несущая генетическую информацию в виде генов, которая становится видной при делении клетки. Хромосома состоит из двух полинуклеотидных цепей, образующих молекулу ДНК. Цепи спирально закручены одна вокруг другой. Каждая хромосома может воспроизводить свою точную копию в промежутках между клеточными делениями, так что каждая новая образующаяся клетка получает полный набор хромосом. {5}

9. Геном

Геном - совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. Термин предложен Г. Винклером в 1920г. В отличие от генотипа, геном представляет собой характеристику видов, а не отдельные особи. Диплоидные организмы содержат 2 генома – отцовский и материнский. Термин «геном» в современной генетике употребляют и по отношению к совокупности генов у бактерий, вирусов, органелл. {1, c126}

9. Генотип

Генотип – генетическая (наследственная) конституция организма, совокупность всех наследственных задатков данной клетки или организма, включая аллели генов, характер их физического сцепления в хромосомах и наличие хромосомных перестроек. В узком смысле генотип – совокупность аллелей генов или группы генов, контролирующих анализируемый признак у данного организма. Термин «генотип» предложен Иогансеном в 1909г. {1, c126}

11. Фенотип

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств особи, формирующихся в процессе взаимодействия ее генетической структуры ( генотипа) и внешней, по отношению к ней, среды. Термин «фенотип» введен Иогансеном в 1903г. В Фенотипе не реализуются все генотипические возможности, и он является лишь частным случаем реализации генотипа в конкретных условиях. {1, c668}

12. Свойства генетического материала: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность.

Генетический материал – компоненты клетки, обеспечивающие хранение, реализацию, воспроизводство и передачу при размножении генетической информации.

Дискретность – наличие обособленных групп сцепления хромосом.

Непрерывность – физическая целостность хромосом.

Линейность – одномерность «записи» генетической информации.

Относительная стабильность – передача потомству с неблагоприятными изменениями. {5}

12. Изменчивость: наследуемая (генетическая, мутационная).

Это возникновение изменений в наследственном материале, т.е молекуле ДНК. Наследственная изменчивость обусловлена изменениями в генетическом материале и является основой разнообразия живых организмов, а также главной причиной эволюционного процесса, так как она поставляет материал для естественного отбора. {2, c165-166}

12. Изменчивость: ненаследуемая (модификационная, фенотипическая).

Это такие изменения признаков организма, которые не затрагивают его гены и не могут передаваться следующим поколениям. Чаще всего модификациям подвержены количественные признаки: рост, вес, плодовитость и т.д.

Основные характеристики:

- модификационные изменения не передаются потомкам

- модификационные изменения возникают у многих особей вида и зависят от воздействия окружающей среды.

- модификационные изменения в конечном счете определяются генотипом. {2,c164-165}

15. Мутагенные факторы.

К мутационным факторам относят некоторые физические воздействия на организм. Сильнейшим мутагеном является ионизирующие излучение – электромагнитные волны с маленькой длиной волны, но с очень высокой энергией квантов. Такие кванты проникают в ткани организма, повреждая различные молекулы, и, в частности, молекулы ДНК. Ультрафиолетовое излучение также относится к коротковолновым, но его кванты не проникают глубоко и разрушают только поверхностные слои ткани. Мутагенным фактором также является повышенная температура. Например, при выращивание мушек дрозофил при температуре на 10 градусов выше обычной число мутаций увеличивается втрое.

Сильнейшим мутагенным действием обладают соединения из многих классов химических веществ. Например, мутации вызывают соли свинца и ртути, формалин, хлороформ, препараты для борьбы с с/х вредителями. Относительно недавно выяснилось, что таковым фактором могут быть вирусы. {2, c170}