6. Молекулярные основы наследственности. Концепция «один ген - один полипептид». Белок как элементарный признак.

Материальным носителем наследственности является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Молекула ДНК состоит из двух нитей, закрученных друг относительно друга. Каждая из цепочек образована отдельными блоками - нуклеотидами, в последовательности которых закодирована генетическая информация. Информация считывается лишь с одной нити, вторая способствует более компактной упаковке огромной молекулы в клетке. Клетка обладает способностью на основе ДНК строить молекулы белков. Генетический код универсален - у всех организмов, от простейших до самых высоко организованных определенная последовательность нуклеотидов "воплощается" в идентичную структуру белка. Функции белков в организме необыкновенно разнообразны, их специфика прямо или опосредованно влияет на любое свойство индивидуума.

"Один ген-один полипептид" гипотеза, предполагающая существование большого класса генов, каждый из которых контролирует синтез одного полипептида . Полипептид может функционировать независимо, а также как единица более сложного белка. Заменила ранее существовавшую гипотезу "один ген - один фермент" после того, как были открыты гетерополимерные ферменты: напр., гексоаминидаза кодируется двумя генами (см. Два гена - одна полипептидная цепь). В 80-е гг. были открыты системы "два гена - один полипептид", при этом не исключено и существование системы "один ген - два полипептида", существуют также перекрывающиеся гены. Перекрывающиеся гены * overlapping genes - - гены с перекрывающимися последовательностями нуклеотидов (напр., у фага fХ174 ген Е перекрывается с геном D). П. г. продуцируют два различных полипептида, потому что соответствующие иРНК транслируются в двух различных рамках считывания . Эта теория дополнительно приобрела некоторую условность в связи с выявлением многофункциональных белков.

7. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот (трансформация у бактерий, опыты с вирусами). Структура днк и рнк. Модель днк Уотсона и Крика.

Первый успех в молекулярной генетике был достигнут при изучении генетической трансформации у бактерий.

Трансформация в генетике, внесение в клетку генетической информации при помощи изолированной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Трансформация приводит к появлению у трансформированной клетки (трансформанта) и её потомства новых признаков, характерных для объекта — источника ДНК. Явление Трансформация было открыто в 1928 английским учёным Ф. Гриффитом, наблюдавшим наследуемое восстановление синтеза капсульного полисахарида у пневмококков при заражении мышей смесью убитых нагреванием капсулированных бактерий и клеток, лишённых капсулы. Организм мыши в этих экспериментах играл роль своеобразного детектора, так как приобретение капсульного полисахарида сообщало клеткам, лишённым капсулы, способность вызывать смертельный для животного инфекционный процесс (см. схему). В последующих экспериментах было установлено, что Трансформация имеет место и в том случае, когда вместо убитых клеток к лишённым капсулы пневмококкам добавляли экстракт из разрушенных капсулированных бактерий. В 1944 О. Эйвери с сотрудниками (США) установил, что фактором, обеспечивающим Трансформация, являются молекулы ДНК. Эта работа — первое исследование, доказавшее роль ДНК как носителя наследственной информации.

  Помимо пневмококков, Трансформация обнаружена и изучена на некоторых других бактериях. Использование в экспериментах легко учитываемых генетических признаков (например, устойчивость к действию клеточных ядов, потребность в определённых факторах роста), а также применение ДНК с радиоизотопной меткой позволили дать Трансформация количественную оценку. Трансформация у бактерий рассматривают как сложный процесс, включающий следующие стадии: фиксация молекул ДНК клеткой-реципиентом; проникновение ДНК внутрь клетки; включение фрагментов трансформирующей ДНК в хромосому клетки-хозяина; формирование «чистых» трансформированных вариантов. Фиксация ДНК происходит на особых участках клеточной поверхности (рецепторах), число которых ограничено. Связанная с рецепторами ДНК сохраняет чувствительность к действию добавленного в среду фермента дезоксирибонуклеазы, вызывающего её распад. Однако, спустя очень короткий срок (в пределах 1 мин) после фиксации, часть ДНК проникает в клетку. Бактериальные клетки одного и того же штамма резко различаются по проницаемости для ДНК. Клетки данной бактериальной популяции, способные включать чужеродную ДНК, называются компетентными. Число компетентных клеток в популяции незначительно и зависит от генетических особенностей бактерий и фазы роста бактериальной культуры. Развитие компетенции связывают с синтезом особого белка, обеспечивающего проникновение ДНК в клетку.

В 1944 американский учёный О. Т. Эйвери с сотрудниками обнаружил, что наследственные признаки одного штамма пневмококков могут быть переданы другому, генетически отличному штамму путём введения в его клетки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), выделенной из первого штамма. Впоследствии подобная генетическая трансформация с помощью ДНК была осуществлена у других бактерий, а в последнее время — и у некоторых многоклеточных организмов (цветковые растения, насекомые). Т. о., было показано, что гены состоят из ДНК. Этот вывод был подтвержден опытами с ДНК-содержащими вирусами: для размножения вируса достаточно введения молекул вирусной ДНК в клетку восприимчивого хозяина; все др. компоненты вируса (белки, липиды) лишены инфекционных свойств и генетически инертны. Аналогичные опыты с вирусами, содержащими вместо ДНК рибонуклеиновую кислоту (РНК), показали, что у таких вирусов гены состоят из РНК. Выяснение генетической роли ДНК и РНК послужило мощным стимулом для изучения нуклеиновых кислот биохимическими, физико-химическими и рентгеноструктурными методами.

Составными частями нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Молекула нуклеотида состоит из пентозы, азотистого основания и фосфорной кислоты. В зависимости от типа сахара различают рибонуклеиновую кислоту (РНК; в её состав входит рибоза) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК; в её состав входит сахар дезоксирибоза, у которого на один атом кислорода меньше). В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся четыре типа оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т; в РНК вместо него содержится урацил (У)). Первые два основания относятся к классу пуринов, остальные – к пиримидинам. Фосфорная кислота определяет кислотные свойства нуклеиновых кислот.

Выяснить структуру ДНК удалось в 1953 году английским ученым Д. Уотсону и Ф. Крику.

Они создали модель трехмерной двухспиральной структуры молекулы ДНК. Эта модель отвечала всем основным требованиям, необходимым генетическому материалу для выполнения биологических функций. Химическая структура гена, связанная с линейным расположением нуклеотидов в цепи, позволяла сохранять закодированную с помощью генетического кода наследственную информацию.

Благодаря принципу комплементарного связывания двух цепей молекула ДНК способна к ферментативному матричному аутокатализу — репликации, что позволяет точно копировать генетическую информацию и поддерживать наследственное постоянство при делении клеток (митоз, мейоз). На основе матричного синтеза генетическая информация может переписываться на посреднические молекулы иРНК (транскрипция). Информация о последовательностях нуклеотидов в иРНК переводится на рибосомах в последовательность аминокислот в полипептиде в процессе трансляции. Схематически это выглядит следующим образом: ДНК репликация 2ДНК транскрипция иРНК трансляция полипептид.

Модель двойной спирали ДНК и триплетности генетического кода позволила предсказать молекулярные механизмы возникновения спонтанных и индуцированных генных мутаций: во-первых, замена основания в одном кодоне приводит к изменению одной аминокислоты в белке; во-вторых, вставка или выпадение одного нуклеотида в одной цепи ДНК приводит к изменению всех последующих кодонов и отсутствию синтеза специфического белка, кодируемого соответствующим геном. Последствия такой мутации в гене могут быть губительными для клетки и целого организма. Например, в результате замены одного основания в гене, контролирующем синтез b-цепи гемоглобина, происходит замена одной аминокислоты — глутамина — в шестом положении на валин, что приводит к синтезу аномальной молекулы гемоглобина, изменению формы эритроцитов и к болезни (См. Серповидноклеточная анемия). Одних лишь гемоглобинопатийнасчитывается несколько десятков. На основе подобного анализа выяснена природа многих сотен молекулярных болезней человека и разработаны методы пренатальной молекулярно-генетической диагностики (см. Наследственные болезни).

После доказательства генетической роли нуклеиновых кислот и расшифровки структуры молекулы ДНК С. Бензер в экспериментах на бактериофаге Т4 показал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются отдельные пары нуклеотидов, и кроссинговер может происходить между двумя парами нуклеотидов. Было окончательно постулировано, что ген представляет собой определенный участок ДНК, состоящий из нескольких тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией, но функционально представляющий единое целое.