Молекулярные основы наследственности

ЛЕКЦИЯ

ЯДЕРНЫЕ (ХРОМОСОМНЫЕ)

ДЕТЕРМИНАНТЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

С учетом эволюционного уровня организмов существует несколь­ко форм организации ядерных генетических детерминантов.

Вирусный геном. Наиболее простой формой ядерной организа­ции генома вообще является вирусный геном, который, как уже отмечено, очень условно часто называют вирусной хромосомой. Ге­ном самых малых РНК-овых вирусов представлен последователь­ностями, состоящими из нескольких тысяч нуклеотидов, что соот­ветствует нескольким генам.

 

Гетерогенность молекулы ДНК

При биохимическом анализе ДНК клеток эукариот выделяют три фракции, содержащие уникальные умеренно повторяющиеся и высокая повторяющиеся последовательностей нуклеотида.

Уникальные повторы (45-56%) представлены в молекуле ДНК один или несколько раз. Это гены второго класса – структурные гены в которых записано информация о белках.

Умеренные повторы (8-30%) Повторы в среднем 350 раз. Это гены первого класса, в которых записана информация о всех видах РНК.

Высокие повторы (12-25%) это так называемая сателлитная ДНК. Повторы более 500 тыс.раз. Эти участки отвечают за экспрессию генов, за «узнавание» гомологичных хромосом в процессе конъюгации. Они состоят из сходных но не идентичных последовательностей и называются простыми последовательностями. У человека участки умеренно повторяющихся последовательностей ДНК длиной 300 пн чередуются с участками не повторяющейся ДНК длиной 800-1500 пм.

Уникальные повторыиумеренно повторяющиеся последовательности ДНК содержат структурные гены, псевдогены, семейство генов, кодирующих одинаковые или сходные белки.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ 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.

 

 

А. СТРОЕНИЕ НУКЛЕОТИДОВ

Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В зависимости от числа имеющихся в молекуле остатков фосфор­ной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты (НМФ), нуклеозидцифосфаты (НДФ), нуклео- зидтрифосфаты (НТФ) (рис. 4-1).

В состав нуклеиновых кислот входят азотис­тые основания двух типов: пуриновые — аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые — цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). Нумерация атомов в основаниях записывается внутри цикла (рис. 4 —2). Номенклатура нуклеотидов приведена в табл. 4-1.

Пентозы в нуклеотидах представлены либо рибозой (в составе РНК), либо дезоксирибозой в составе ДНК). Чтобы отличить номера атомов в пентозах от нумерации атомов в основаниях, запись производят с внешней стороны цикла и к цифре добавляют штрих (') — 1', 2', 3', 4' и 5' (рис. 4-3).

Пентозу соединяет с основанием N-гликозидная связь, образованная С₁-атомом пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и N₁-атомом пи­римидина или N₉-aтомом пурина (рис. 4-4).

Нуклеотиды, в которых пентоза представлена рибозой, называют рибонуклеотидами, а нукле­иновые кислоты, построенные из рибонуклеотидов, — рибонуклеиновыми кислотами, или РНК. Нуклеиновые кислоты, в мономеры которых входит дезоксирибоза, называют дезоксирибонуклеиновыми кислотами, или ДНК. Нуклеи­новые кислоты по своему строению относят к классу линейных полимеров. Остов нуклеиновой кислоты имеет одинаковое строение по всей длине молекулы и состоит из чередующихся групп — пентоза-фосфат-пентоза- (рис. 4-5). Вариабельными группами в полинуклеотидных цепях служат азотистые основания — пурины и пиримидины. В молекулы РНК входят аденин (А), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (С), в ДНК — аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С). Уникальность структуры и функ­циональная индивидуальность молекул ДНК и РНК определяются их первичной структурой — последовательностью азотистых оснований в полинуклеотидной цепи.

 

Таблица 4 -1. Номенклатура нуклеотидов

Азотистое основание	Нуклеозид	Нуклеотид	Трёхбуквенное обозначение	Однобуквенный код
Аденин Гуанин Цитозин Урацил Тимин	Аденозин Гуанозин Цитидин Уридин Тимидин	Аденозинмонофосфат Гуанозинмонофосфат Цитидинмонофосфат Уридинмонофосфат Тимидинмонофосфат	АМФ ГМФ ЦМФ УМФ ТМФ	А G С U Т

 

ЛЕКЦИЯ

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Материальными носителями наследственности являются хромосомы и гены. В 1879 году Флеминг обнаружил в ядре темно окрашивающиеся структуры, которые он назвал хроматином. Зоолог Вейсман в книге «Зародышевая плазма. Теория наследственности» привел аргументы, что наследственное вещество находится в ядре.

В 1902 году Бовери и Сеттон установили, что менделеевские закономерности наследования точно соответствуют закономерностям поведения хромосом. Таким образом, основное назначение хромосом – передача точной информации от поколения к поколению. Врач Мишер (1868 год) используя гнойный материал после операционных повязок, выделил из ядер погибших лейкоцитов вещество, которое назвал нуклеин. В 1914 году доцент Петербургского университета Щепотьев доказал, что это кислоты – нуклеиновые кислоты. Кольцов представляет гипотезу об удвоении (редупликации) хромосом. Работа Эвери и Гриффита раскрыло химическую основу ДНК - наличие азотистых оснований. Одной из главных достижений позволивших построить модель ДНК было правило Эрвина Чаргаффа о комплементарности пуриновых и пиримединовых азотистых оснований. Комплементарность – это способность образовывать водородные связи. По этому правилу количество аденина + гуанина = количеству цитозина + тимина.

Прямым доказательством генетической роли ДНК способность ДНК трансформировать пневмококки одного типа в другой – работа Эвери 1944 года по размножению бактериальных вирусов – фагов.

Рентгеноструктурный анализ (методика дифракции рентгеновских лучей) и методы кристаллографии позволили Максу Перутцу и Морису Уилкинсу практически создать модель ДНК. Однако первенство в создании модели ДНК и Нобелевская премия были присуждены Френсису Крику и Джеймсу Уотсону, которые 25 апреля 1953 года в журнале «Нейчур» опубликовали небольшую статью (900 слов) «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» о модели ДНК.

Молекула ДНК являются линейными макромолекулами, пред­ставляющими собой длинные двойные цепи (тяжи) полимеров, составленных из мономеров, получивших название нуклеотидов (малых органических молекул) и являющихся строительными бло­ками ДНК.

У всех живых существ макромолекулы ДНК построены по од­ному и тому же плану. Они слагаются в основном из одних и тех же нуклеотидов, каждый из которых содержит по одной молекуле фосфорной кислоты и сахара, а также одно из четырех азотистых оснований — аденин, гуанин, цитозин или тимин. Аденин и гуа­нин являются пуриновыми основаниями, тогда как тимин и цитозин — пиримидиновыми. Пурины и пиримидины называют осно­ваниями по той причине, что в кислой среде они способны присое­динять к себе ион Н⁺. Пиримидины являются производными шестичленного пиримидинового кольца, тогда как пурины представляют основания, у которых второе пятичленное кольцо слито с шестичленным кольцом.

Сахаром в ДНК является 2-дезокси-D-рибоза, отличающаяся от глюкозы тем, что в ее молекуле не 6, а 5 атомов углерода, т. е. является пятиуглеродным сахаром (пентозой). Особенностью этого сахара является также то, что он имеет атом водорода (Н), присое­диненный к одному (специфическому) из атомов углерода, но не гидроксильную группу. Следовательно, этот сахар представляет собой дезоксирибозу, т. к. он является рибозой, лишенной кисло­рода.

Сахарофосфат соединяется с азотистым основанием посредством β-гликозидной связи. Основание прикрепляется к I положению де-зоксирибозы. Структура, образованная соединением азотистого ос­нования и сахара, носит название нуклеозида. Таким образом, хи­мическими группами, которые образуют ДНК, являются пуриновые и пиримидиновые азотистые основания (аденин, гуанин, тимин и цитозин), сахар (2-дезокси-D-рибоза) и фосфорная кислота.

РНК характеризуется такой же структурой, как и ДНК. Одна­ко в отличие от ДНК в РНК сахаром является рибоза с кислоро­дом, представляющая собой сахар с 5 атомами углерода, к одному из которых прикреплена 2'-гидроксильная группа (-ОН). Кроме того, в РНК тимин не имеет метильной группы и является урацилом, т. е, в РНК тимин заменен на урацил, также являющийся пиримидиновым основанием.

Нуклеиновые кислоты называют кислотами по той причине, что их фосфатные группы освобождают в растворах ионы водо­рода.

Для состава ДНК характерны закономерности, известные в ка­честве правил А. Чаргаффа, а именно:

1. Сумма нуклеотидов, содержащих пуриновые азотистые ос­нования, равна сумме нуклеотидов, содержащих пиримидиновые азотистые основания

 

 

2. Содержание аденина равно содержанию тимина, а гуани­на — цитозину

 

 

3. ДНК из разных источников может иметь различия, обус­ловленные в одних случаях преобладанием аденина над гуани­ном и тимина над цитозином (А + Т > Г + Ц), в других случа­ях — преобладанием гуанина и цитозина над аденином и тимином (Г + Ц > А + Т).

 

Для ДНК характерна структура трех видов — первичная, вто­ричная и третичная. Первичная структура ДНК заключается в том, что ДНК состоит из нуклеотидных цепей, у которых скелетную основу составляют чередующиеся сахарные и фосфатные группы, объединенные ковалентными 3'-, 5'-фосфодиэфирными, скелетны­ми связями, а боковые группы представлены тем или иным осно­ванием (одним из четырех) и присоединяются одна к другой моле­кулой сахара. Последовательно располагающиеся нуклеотиды ковалентно связаны фосфодиэфирными связями между сахарным остатком и фосфатом, и в результате этого объединены в полинуклеотидную цепь. Таким образом, первичная структура ДНК (как и РНК) определяется последовательностью нуклеотидов и характе­ром их связей между сахарным остатком и фосфатом.

 

Представления о вторичной структуре ДНК были сфор­мулированы Д. Уотсоном и Ф. Криком еще в 1953 г. На основе данных об Х-дифракции молекул ДНК, структуре оснований и пра­вил А. Чаргаффа эти представления сводятся к следующему:

 

 

1. По Уотсону и Крику (1953 год) молекула ДНК (форма В) построена из двух скрученных направо спи­ралевидных полинуклеотидных цепей, причем каждый виток спи­рали соответствует 10 азотистым основаниям или расстоянию в 3,4 нм. Молекулы ДНК, цепи которых скручены направо, перво­начально назвали В-формой.

2. Обе цепи объединены в результате закручивания одной цепи вокруг другой по общей оси. Из-за противоположной последова­тельности атомов в каждой цепи обе цепи инвертированы относи­тельно одна другой, т. е. направление вдоль дуплекса есть 3'→5' для одной цепи и 5'~» 3' для другой.

3. Сахарофосфатные группы располагаются на внешней стороне двойной спирали, тогда как основания находятся внутри спирали под прямым углом и вдоль ее оси. Диаметр молекулы составляет 2 нм, расстояния между отдельными азотистыми основаниями в молекуле равны 0,34 нм. Таким образом, ДНК представляет собой скрученную в правостороннем направлении двойную спираль, в которой пары азотистых оснований А-Т и Г-Ц в комплементар­ных полинуклеотидных цепях подобны перекладинам в лестнице, а сахарофосфатные цепи являются каркасом этой лестницы.

4. Цепи в молекуле не идентичны, но комплементарны и удер­живаются слабыми водородными связями между азотистыми осно­ваниями, причем спаривание азотистых оснований для связывания цепей имеет специфический характер. Водородные связи устанав­ливаются не просто между азотистыми основаниями цепей, а спе­цифически между пуриновым азотистым основанием одной цепи и пиримидиновым азотистым основанием другой. В результате это­го аденин одной из цепей связывается с тимином другой цепи двумя водородными связями, тогда как гуанин одной из цепей связывается с цитозином, находящимся в другой цепи, посредством трех водородных связей.