I. Особенности строения и функционирования наследственного аппарата прокариот

 

Всякое живое существо по большенству своих признаков сходно со своими предками. Сохранение специфических свойств, т.е. постоянство признаков в ряду поколений, называют наследственностью.

Генетика изучает механизмы передачи признаков и закономерности их наследования. Каждому признаку в качестве носителя информации соответсвует ген. Еще во времена классической гентики исследователи пришли к выводу, что гены находятся в клеточном ядре и что они располагаются в линейном порядке.

Долгое время считали, что наследственная информация связана с белковыми компонентами нуклеоплазмы. Лишь после успешных экспериментов по передаче наследственных признаков с помощью ДНК, генетики пришли к убеждению, что именно ДНК, входящая в сотав хромосом, у всех организмов служит материальным носителем наследственной информации.

Доказано, что проявление признаков зависит от активности ферментов. У микроорганизмов ферменты можно было связать с конкретными признаками, поддающимися точному биохимическому опеделению. Гипотеза «Один ген - один фермент» гласит,что определенный ген содержит информацию, необходимую для синтеза определенного фермента. (Поздняя формулировка: каждый структурный ген кодирует определенную полипептидную цепь).

Вся информация о признаках, присущих данному организму, сосредоточена в его генетичсеком аппарате. Он обеспечивает сохранение и точное воспроизведение этих признаков в процессе размножения микроорганизма и дочерние особи обнаруживают в большинстве случаев полное сходство с родительскими формами. Это говорит о том, что генетический аппарат обладает высокой стабильностью и точностью, обеспечивающих его функционирование.

Однако стабильность генетического аппарата не абсолютна, т.к. исключало бы всякую возможность его изменений,а следовательно и эволюционных преобразований, приводящих в конечном итоге к возникновению разнообразных форм жизни. Следовательно, генетичсекий аппарат должен быть организован так, так, чтобы, с одной стороны, обеспечивать свою стабильность, с другой – быть достаточно пластичным и обладать способностью к изменчивости.

       Генетический аппарат прокариот. До 40-х гг. немногие бактериологи думали, что бактерии обладают наследственностью, основной на тех же принципах, которые установлены для высших организмов.

       Прокариоты не имеют ядра, ни хромосом, аналогичных таковым, эукариотных клеток, поэтому бактерии считали в генетическом отношении анархической формой жизни.

Одним первых к пониманию того, что бактерии и высшие организмы подчиняются общим генетическим каноном, описавший у прокариот стабильность, легко распознаваемые и наследуемые изменения.

У бактерий, так же как у высших организмов, носителем генетической информации служит ДНК. Бактериальная ДНК представляет собой двойную спираль, замкнутую в кольцо, что в структурном отношении и образует одну хромосому. Информационные свойства хромосомы определяются специфической последовательностью четырёх нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Таким образом, хромосома и в химическом и в функциональном отношении неоднородна. Каждый такой детерминированный участок называют геном – или функциональной единицей наследственности.

       Гены на хромосоме расположены линейно, при этом сам ген может существовать в виде ряда структурных форм, или аллелей. Совокупность всех генов клетки составляет генотип. В генотипе «записана» информация относительна всех свойств, присущих клетке. Он определяет особенности клеточных компонентов, их структуру и функцию. Кроме хромосомной ДНК, у микроорганизмов в ряде случаев имеется и внехромосомная ДНК, сосредоточенная в цитоплазматических образованиях – плазмидах /дополнительные генетические детерминанты/. Но бактерии, как и все прокариоты, гаплоидны и генетический материал у них представлен одним набором генов.

       Репликация ДНК. Сразу же возникает вопрос: каким же образом осуществляется функции генов по сохранению и передаче потомству наследственной информации, как сохраняется наследственная информация при росте и размножения?

       Чтобы ответить на этот вопрос следует описать структуру ДНК и точно представить как происходит во времени деление клеток идентичная редупликация, или репликация генов. Этот процесс можно удовлетворительно объяснить, исходя из модели структуры ДНК, предложенной Уотсоном и Криком, и из механизма удвоение ДНК.

       ДНК /дезоксирибонуклеиновая кислота/ полимер, состоящий из однотипных,более простых молекул. Химический состав ДНК у разных организмов выявил удивительное однообразие набора соответствующих её единиц. В состав ДНК входят: остаток фосфорной кислоты, сахар дезоксирибоза и азотистые/нуклеиновые/основания: два пурина –аденин /А/ и гуанин /Г/ и два пиримидина – тимин /Т/ и цитозин /Ц/. Азотистые основания, присоединенные к молекуле дезоксирибозы, называются нуклидами.

Никлеозиды соединяются между собой при помощи остатков фосфорной кислоты через углеродные атомы соседних нуклеозидов. Их соединение нуклеозида с фосфорными остатками, их соединение составляет мономер макромолекулы ДНК и называемый нуклеотидом. Молекула ДНК может иметь до 100 и более тысяч нуклеотидов.

                                        

Схема нуклеотида

	нуклеозид

3

2

3

 

                                                                                                  1.Остаток фосфорной кислоты

                                                                          2.Дезоксирибоза

                                                                                      3.Азотистое основание

	нуклеотид

 

Всем организмам присуща одна и та же структура ДНК. Специфика индивидуальных ДНК заключается лишь в различных относительных количеств отдельных азотистых оснований и в их чередовании вдоль по длине полимера.

Существуют определенные ограничения в варьировании соотношений нуклеотидов. Так, отношение аденина /А/ к темину /Т/, а гуанина /Г/ к цитозину /Ц/ очень близко к единице,а соотношение суммарного количества первой /А+Т/ и второй /Г+Ц/ пар оснований может варьировать очень сильно. Макромолекула ДНК состоит из двух цепей, комплиментарных друг другу /взаимодополняющих/, где наличие А или Ц в одной цепи обусловливает соответственно наличие Т или Г в другой. В результате этого равенство содержания относительных количеств Г и парного ему Ц, а также количеств А с количеством Т становиться легко объясним. Два тяжа спирали ДНК скреплены водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями.

Схема двойной спирали ДНК

Ц         Г

1

1

2

2

А          Т   Ц   Г

2

1

2

1

-Аденин

-Гуанин

-Тимин

-Цитозин

При раскручивании спирали водородные связи между азотистым основаниями разрываются и две цепочки ДНК расходятся. На каждой цепи из структурных элементов ДНК – дезоксирибонуклеозитрифосфатов – синтезируются новая /дочерняя/ цепь; при этом с каждым из нуклеиновых оснований спаривается комплементарное ему основание, так что каждая из двух новых цепей вместо одной двойной спирали появляются две точные репликации ДНК гарантирует сохранение генетической информации.

Транскрипция ДНК. Возникает еще вопрос: каким образом содержащаяся в генах информация преобразуется в аминокислотную последовательность белка, как определяется такая информация активность и другие свойства ферментов?

ДНК будучи носителем наследственной информации, тем не менее сама не служит матрицей для синтеза полипептидов.

Биосинтез белков происходит на рибосомах, которые непосредственно с ДНК не соприкасаются. Передачу, записанной в ДНК информации к местам синтеза белка осуществляет матричная, или информационная рибонуклеиновая кислота /М-РНК/.

РНК – полимер, отличающейся от ДНК лишь заменой дезоксирибозы на рибозу, а тимина /Т/ на урацил /У/. По строению очень напоминает одноцепочную ДНК. Матричная РНК синтезируется на одной их цепей ДНК, причем механизм этого процесса сходен с механизмом репликации ДНК. По последовательности нуклеотидных оснований ее цепь комплементарна цепи ДНК. Таким образом, при синтезе м-РНК просто копируется нуклеотидная последовательность ДНК. Этот процесс называют транскрипцией и противопоставляют его трансляции – переводу нуклеотидной последовательности в последовательность аминокислот.

 

 

                                                             Транскрипция                    м-РНК        Трансляция Белок

        Репликация ДНК                                            

        Обратная Транскрипция

 

    

Генетический код. Каждый ген представлен определенным участком молекулы ДНК. Специфическая информация, содержащая в гене, определяется последовательностью оснований в цепи молекулы ДНК.

«Алфавит», с помощью которого записана эта информация ДНК, включает четыре «буквы» - основания аденин /А/, гуанин /Г/, тимин /Т/ и цитозин /Ц/. В м-РНК тимин заменен урацилом /У/.

Специфичность ферментных белков синтез которых контролируют гены, определяется последовательностью аминокислот в полипептидных цепях. Эта же последовательность определяет и пространственную структуру белка, т.н. конформацию /вторичную, третичную и четвертичную структуру/.

Для перевода с языка нуклеиновых кислот на язык аминокислот служит специфический код. Каждая аминокислота определяется группой из трех соседних нуклеотидов – триплетом, или кодоном.

Та или иная последовательность триплетом в НК однозначно определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи. В триплетах возможно 64 различных комбинаций нуклеотидов. Если бы каждая из 20 аминокислот кодировалась лишь одним единственным триплетом, то 44 комбинации остались бы неиспользованными.

Но оказалось, что многие аминокислоты кодируются двумя и большим числом различных триплетов. Некоторые триплеты имеют особый смысл - они означают «начало» или «конец» полипептидной цепи. Триплеты считывают как 1,2,3; 1,2,3 и т.д. от начала молекулы м – РНК.

Трансляция м – РНК и синтез белка. Аминокислоты соединяются в полипептидную цепь в порядке, определяемой триплетами м – РНК. В этом процессе участвуют и РНК, транспортные РНК /т-РНК/, ряд ферментов, АТФ и другие факторы. Активация и присоединение аминокислот к соответствующей т-РНК осуществляется с помощью специфического фермента – аминоацил – м РНК – синтетазы, которая распознаёт, с одной стороны аминокислоту, а с другой соответствующую т-РНК. Имеется 20 различных синтетаз. Рибосома перемещается вдоль м РНК и таким образом происходит наращивание очередных аминокислот и формирование полипептидной цепи.

Одновременно происходит закручивание полипептидной цепи и свертывание её в клубок, определение также последовательностью аминокислот и природой их боковых цепей /гидрофобные и гидрофильные группы/. В результате возникает структура, обуславливающая свойства и функцию данного белка.

К м РНК обычно прикрепляется несколько рибосом и на одной и той же матрице одновременно синтезируется несколько полипептидных цепей. Такой комплекс одной м РНК с рибосомами называют полисомой. На конце полипептидной цепи от рибосомы.

Таким образом, нуклеотидная последовательность ДНК представляет собой закодированную «инструкцию», определяющую /при посредстве м РНК/ структуру специфического белка. Представление о передаче информации от ДНК через РНК на белок называют «центральной догмой» молекулярной биологии.

Таким путем происходит перенос информации у всех организмов, у которых генетическим материалом служит ДНК. Этот универсальный процесс передачи информации при репликации ДНК, транскрипции и трансляции представлен на приведенной выше схеме. Эта схема применима к эукариотам, прокариотам и ДНК-вирусам.

Но среди вирусов есть такие, у которых РНК реплицируется прямо на матрице РНК. Однако, у некоторых онкогенных РНК-вирусов вначале происходит синтез ДНК, контролируемый РНК, т.е. РНК служит матрицей для синтеза ДНК.

Такая информация, содержащаяся в вирусной РНК передается на ДНК путем обратной транскрипции /при помощи фермента обратной транскриптазы/. Он находит применение в генной инженерии. У прокариотических организмов обратная транскрипция не найдена.

Процесс транскрипции находится под строгим контролем, в результате количество молекул м РНК в клетке, коплементарных разным генам сильно различается. Хотя механизмы синтеза ДНК и РНК сходны, процесс транскрипции не обладает той степенью точности, которая характерна для репликации ДНК.

Поскольку м РНК не способна к самовоспроизведению, возникающие при ее синтезе ошибки в последующих клеточных генерациях не воспроизводятся и, следовательно, не могут наследоваться.

Механизм трансляции также отличается высокой точностью, но вероятность ошибки в целом выше, чем в случае синтеза ДНК и РНК. Наиболее уязвимый этап – “узнавание” с помощью фермента аминокослоты соответствующей молекулы т-РНК. Частота возникновения ошибок на этом этапе составляет , что и определяет возможно, уровень точности процесса синтеза белка в целом. Но эти ошибки не воспроизводятся, если она не закодированы исходно в генетическом материале – ДНК.

Таким образом, процессы транзикции и трансляции, служащие для выражения в онтогенезе генетической информации, не приводят к наследованию изменений, возникающих при их функционировании.

Только изменения, происходящие в молекуле ДНК, могут сохраняться в ряду поколений, поскольку они воспроизводятся в процессе репликации.

Следовательно, в основе эволюции прокариот, появлении новых видов, подвидов, штаммов и вариантов лежит способность к изменению только их генетического материала. У прокариот весь генетический материал, необходимый для жизнедеятельности, представлен одной хромосомой т.н. бактериальная клетка гаплоида. Но в определенных условиях /высокий уровень метаболизма и роста/ в клетках бактерий может содержаться по нескольку копий хромомсомы, что необходимо учитывать в селекционной работе.

Кроме того, у многих бактерий обнаружены внехромомсомные генетические элементы – плазмиды. Это кольцевые ковалентно замкнутые молекулы ДНК, содержащие от I500 до 40,0 тыс. пар нуклеотидов, реплицирующихся автономно как единое целое. К настоящему времени плазмиды обнаружены у I35 видов, принадлежащих к более чем 40 родам бактерий.

Обычно о присутствии плазмид в бактериальной клетке судят по проявлению определенных новых признаков, которые присущи этим структурам, т. е. кодируются их генетическим материалом. К таким признакам относится устойчивость к лекарственным препаратам, способность к переносу генов при конъюгации, синтез веществ антибактериальной природы, способность использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ.