Методички по Биологии / Методички / Молекулярные основы генетики
.docМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ
Строение ДНК
Элементарной функциональной единицей наследственности которая определяет развитие признака является ген. Исследования показали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Мишером в 1869 г в ядрах клеток гноя.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота полимер, мономером которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из сахара – пентозы, азотистого основания и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания относятся к двум группам: пуриновые (аденин, гуанин), пиримидиновые (цитозин, тимин). К первому атому углерода С1 присоединяется азотистое основание, к С3 – гидроксильная группа ОН, С4 соединяется с С5, к которому присоединяется остаток фосфорной кислоты.
В 1953 г Дж.Уотсон и Ф.Крик предложили структурную формулу ДНК.
Первичная структура ДНК – это последовательно соединенные нуклеотиды, которая образует нуклеотидную цепь. Каждый последующий нуклеотид соединяется с предыдущим путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого, так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь. Сборка полинуклеотидной цепи происходит при участии фермента полимеразы в направлении 5 – 3.Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5, а нижний конец гидроксильную группу в положении 3.
Вторичная структура ДНК – это две полинуклеотидные цепочки соединенные между собой через азотистые основания по принципу комплементарности А-Т, Ц-Г, водородными связями. Между А и Т – 2 связи, а Ц – Г – 3 связи. Полинуклеотидные цепочки антипараллельны, т.е. направление одной цепи 5-3, направление другой – 3-5.
Третичная структура ДНК – две цепочки образуют спираль закрученную вокруг собственной оси. В основном спираль ДНК закручена слева направо. Существует несколько форм правозакрученной ДНК: А-форма, в витке которой находится 11 нуклеотидных пар; В-форма – 10 нуклеотидных пар; С-форма – 9 нуклеотидных пар. Существуют участки, в которых ДНК закручена справа налево – Z-форма – 12 нуклеотидных пар.
В настоящее время продолжается изучение пространственной трехмерной спирали ДНК.
Репликация ДНК
Одним из основных свойств наследственного материала является способность ДНК к самоудвоению – репликации. Репликация происходит в синтетическом периоде интерфазы. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей дочерняя нить. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ репликации называется полуконсервативным, т.к. в образовавшихся молекулах ДНК, одна нить – материнская, другая – дочерняя.
Для репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицей. Для этого фермент ДНК – геликаза разрушает водородные связи между азотистыми основаниями цепей ДНК. Отделившиеся цепи выпрямляются при помощи дестабилизирующих белков с образованием репликационной вилки. Синтез дочерних цепей ДНК осуществляется при помощи фермента ДНК-полимераза. Однако, для начала синтеза необходима РНК- затравка (синтезируемая при помощи РНК-праймазы), из 10 нуклеотидов для получения свободного С3-конца с ОН группой. Синтез дочерней нити в направлении 5-3 строится непрерывно и эта нить называется лидирующей. В связи с тем, что противоположная цепь ДНК антипараллельна, то фермент ДНК-полимераза не может присоединять нуклеотиды в противоположном направлении, поэтому другая дочерняя цепь строится участками – фрагментами Оказаки. В каждом фрагменте направление синтеза 5-3 и начинается синтез также с РНК-затравки. В дальнейшем при помощи фермента ДНК-лигазы убирается РНК-затравка и сшиваются фрагменты Оказаки, поэтому эта нить несколько отстает от лидирующей нити и ее называют - запаздывающей (направление нити 3-5).
У прокариот фрагменты Оказаки содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов, у эукариот они короче – от 100 до 200 нуклеотидов. Скорость синтеза белка у прокариот 1000 нуклеотидов секунду, у эукариот – 100 нуклеотидов в секунду. Фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки ее окончания образует единицу репликации репликон. У прокариот вся ДНК – один репликон, у эукариот ДНК содержит большое количество репликонов (у человека 50 000 репликонов).
Уровни компактизации ДНК
Известно 5 уровней компактизации ДНК:
1 – нуклеосомный
2 – нуклеомерный
3 – хромомерный
4 – хромонемный
5 – хромосомный.
1 - Нуклеосомный уровень компактизации ДНК представлен нитью ДНК и белками-гистонами и напоминает цепочку бус. Гистоны представлены пятью фракциями: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, гистоны достаточно прочно соединяются с молекулой ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная функция.
Н1 – богатый лизином гистон
Н2А, Н2В – умеренно богатый лизином гистон
Н3, Н4 – богатый аргинином гистон
В нуклеосомы входят 8 молекул четырех фракций гистоновых белков: Н2А, Н2В. Н3 и Н4, которые образуют октамер. Вокруг октомера оборачивается нить ДНК 1,7 раза, которую удерживает гистон Н1. Октомер с нитью ДНК является нуклеосомой. Между нуклеосомами нить ДНК называется линкерной нитью. Количество нуклеотидных пар в нуклеосоме и линкере 200-240. Уменьшение нити ДНК за первый нуклеосомный уровень - в 7 раз.
2 - Нуклеомерный уровень – представлен глобулами, состоящими из 8-12 нуклеосом.
3 - Хромомерный уровень – представлен петлями у основания которых находятся кислые негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель. Уменьшение нити ДНК в 30 раз.
4 - Хромонемный уровень – появляется за счет сближения в линейном порядке хромомерных петель с образованием хромонемной нити.
5 – Хромосомный уровень – образуется в результате спиральной укладки хромонемы (или хроматиды). Хромосомный уровень является максимальной степенью компактизации ДНК и достигается в метафазе митоза (мейоза).
Неодинаковая степень компактизации разных участков хромосом имеет большое функциональное значение. В зависимости от состояния хроматина выделяют эухроматиновые участки хромосом, отличающиеся меньшей плотностью компактизации в которых находятся активные гены и которые способны быстрой декомпактизации и транскрипции для синтеза белка.
Гетерохроматиновые участки характеризуются отсутствием активных генов и более высокой плотностью компактизации ДНК. Различают структурный (конститутивный) и факультативный гетерохроматин.
Структурный образован нетранскрибируемой (саттелитный) ДНК. Содержится в теломерных и околоцентромерных участках.
Примером факультативного гетерохроматина служит тельце Бара, которое является одной из двух Х-хромосом у женщины.
Фракции ДНК:
1 – фракция уникальных повторов – 1-3-5 раз на геном. В этих участках ДНК находятся структурные гены.
2 – фракция умеренных повторов 102-105 повторов. В этих участках находится информация о рРНК, тРНК, гистоновых белках.
3 – фракция множественных повторов до 106. Эти участки ДНК называются сателлитной ДНК. Эти участки неинформативны, находятся в теломерных участках и около центромер. Участвуют в регуляции активности генов, в конъюгации хромосом при образовании бивалентов, и является спейсерными участками (разделяющими) между информативными участками ДНК.