Генетика Лекции ИД Равновесие
|
|
|
|
Лекция 5. Воспроизведение генетического материала
1. Механизм репликации В процессе репликации генетического материала водородные связи между азотистыми основаниями разрываются, и из двойной спирали образуется две нити ДНК. Каждая из них становится матрицей для синтеза другой комплементарной нити ДНК. Последняя, через водородную связь, соединяется с матричной ДНК. Итак, любая дочерняя молекула ДНК состоит из одной старой и одной новой полинуклеотидной цепи. Рассмотренный механизм репликации отличается чрезвычайно высокой точностью воспроизведения структуры ДНК. Поддержание такой ситуации обеспечивается механизмом самокоррекции, осуществляемым ДНК-полимеразой.
Самокоррекция заключается в отщеплении ошибочно включенного в цепь ДНК нуклеотида. Однако, несмотря на эффективность самокоррекции, в ходе репликации после удвоения ДНК в ней обнаруживаются ошибки. Изменения в структуре ДНК могут возникать спонтанно или под влиянием реакционно-способных соединений. Возникающие ошибки устраняются благодаря действию механизма репарации. Репарация осуществляется до и после репликации, таким образом, восстанавливается большая часть повреждений структуры ДНК. Обширный набор различных ферментов репарации осуществляет непрерывный осмотр ДНК, удаляя из нее поврежденные участки и способствуя поддержанию стабильности наследственного материала. В молекулах ДНК с помощью генетического кода зашифрована информация о последовательности аминокислот в пептидах, а именно многообразием белковых молекул, выполняющих в клетках разнообразные биологические функции, обуславливается многообразие жизни. Основное количество ДНК локализовано в хромосомах (95 %). Внехромосомная часть генома человека - ДНК митохондрий (5 %). Совсем небольшое количество составляют отдельные кольцевые молекулы ДНК в ядре и цитоплазме. Кодирующая белки часть ДНК составляет всего 3-5 %. Что делает "покоящаяся" часть генома, неизвестно.
Любые изменения в структуре ДНК (в хромосомах или митохондриях) ведут к генетическому полиморфизму. Таким образом, под термином "ген" можно понимать последовательность нуклеотидов в ДНК, которая обуславливает определенную функцию (единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности) в организме. В геноме человека более 30 000 генов. Размер генов человека варьируется в широких пределах, однако большинство имеет размеры до 50 000 пар нуклеотидов. Таким образом, ген представляет собой минимальное количество наследственного материала, которое необходимо для синтеза т-РНК, р-РНК или пептида с определенными свойствами.
Синтез белковых молекул - сложный многоступенчатый процесс. Непосредственным участником его являются молекулы РНК. РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки. Строение ее отличается от ДНК тем, что она вместо дезоксирибозы содержит рибозу, а вместо тиамина - урацил. Различают три типа РНК: информационную, или матричную (и-РНК), транспортную (т-РНК) и рибосомную (р-РНК). Информационная РНК, перенося генетическую информацию с ДНК на полирибосомы, служит матрицей для синтеза определенного белка. Транспортная РНК обладает способностью присоединять к себе соответствующую ей аминокислоту и транспортировать ее на полирибосомы. Рибосомная РНК входит в состав рибосом, являющихся главным аппаратом синтеза белка.
2. Структура белка Структурным элементомбелков служат аминокислоты, образующие полипептидные цепи. Обычно в полипептидную цепь входит около 100-200 аминокислот. Последовательность их расположения определяет структуру и биологические свойства белка и зависит от последовательности нуклеотидов в ДНК. Каждая из 20 аминокислот кодируется последовательностью из трех нуклеотидов (триплет), составляющих кодон. Больше всего известно генов кодирующих ферменты (31,2 % общего числа). В 2 раза меньше генов - модуляторов белковых функций (13,6 %). Они стабилизируют, активируют, свертывают или влияют иным образом на функции белка. Остальные категории генов (кодирующие транскрипционные факторы, гормоны, иммуноглобулины, рецепторы и т. д.) составляют менее 10 % общего числа. Болезни, вызванные дефектами генов, кодирующих ферменты, наследуются по аутосомно-рецессивному типу, а вызванные генами, кодирующими модуляторные белковые функции или рецепторы, - по аутосомно-доминантному или аутосомно-рецессивному. Как известно из менделевской генетики, различные аллели (варианты одного и того же гена) могут проявляться в трех вариантах: доминантном, рецессивном и кодоминатном (подробнее об этом ниже). В геноме человека данное правило иногда нарушается, что обусловлено различными мутациями в одном и том же гене. Это необходимо учитывать при медико-генетическом консультировании. Болезни, вызванные генами транскрипционных факторов, относятся к группе аутосомно-доминантных. Формирование наследственных болезней во времени, также имеет закономерности связанные с функцией первичного продукта гена. Болезни транскрипционных факторов развиваются внутриутробно, патология ферментов - в течение первого года жизни, рецепторов - в возрасте от 1 года до пубертатного периода, модулярной белковой функции - в период до 50 лет.
3. Образование хромосом ДНК клеток связана с белками и образует нуклеопротеиновый комплекс. В интерфазе этот комплекс представлен в виде ядерной структуры, названной в связи с их способностью прокрашиваться основным красителем хроматином. При переходе клетки к митозу хроматин приобретает вид хорошо различимых отдельных хорошо окрашенных телец - хромосом. В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры) - особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.
В зависимости от места положения центромеры и длины плеч, расположенных по обе стороны от нее, различают несколько форм хромосом: равноплечие, или метацентрические, неравноплечие, или субметацентрические, палочковидные, или акроцентрические, и точковые - очень мелкие, форму которых трудно определить. При рутинных методах окраски хромосом они различаются по форме и соотносительным размерам. При использовании специальных методик выявляется неравномерное распределение красителя по длине хромосомы, строго специфичное для каждой отдельной хромосомы и ее гомолога.