Биологическое значение мейоза

Мейоз - это механизм, с помощью которого поддерживается постоянство числа хромосом (кариотип) у животных при половом размножении от одного организма к другому. Значение мейоза состоит также в том, что в анафазе I деления мейоза каждая пара хромосом ведет себя независимо от другой пары, в результате чего образуется большое число различных новых комбинаций негомологичных хромосом, т.е. происходит рекомбинация генов на уровне целых хромосом. Благодаря такому механизму достигается большое число новых сочетаний наследственной информации.

Далее в процессе кроссинговера происходит рекомбинация енетического материала, что создает мощный дополнительный резерв наследственной изменчивости.

Мейоз лежит в основе образования половых клеток при половом множении многоклеточных организмов. Развитие гамет происходит в половых железах - гонадах. Формирование мужских половых клеток сперматозоидов) происходит в семенниках и называется сперматогенезом. Процесс образования женских половых клеток (яйцеклеток) роисходит в яичниках и называется овогенезом.

 

ДНК и РНК

В структурной организации молекулы ДНК можно выделить 3 уровня: Первичная структура - полинуклеотидная цепь

Вторичная структура - две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи Третичная структура - трехмерная спираль

Первичная структура ДНК

ДНК - это полимер, состоящий из мономеров - нуклеотидов. Каждый I нуклеотид включает три основные компонента: азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил), сахар (дезоксирибоза или рибоза), остаток | фосфорной кислоты.

Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты I происходит путём взаимодействия фосфата одного нуклеотида с |гидроксилом д.р. так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная I связь. В результате образуется полинуклеотидная цепь. Важно отметить, что I сборка полипептидной цепи осуществляется строго в одном направлении, а именно, путем присоединения фосфатной группы, расположенной в 5'-положении последующего нуклеотида к 3'гидроксильной группе предыдущего нуклеотида.

Вторичная структура ДНК

В 1953 г Уотсон и Крик представили модель 3-х мерной молекулы ДНК. За это открытие в последующем они были удостоины Нобелевской премии. Ученые показали, что особенностью II структурной организации ДНК является то, что в ее состав входят 2 полипептидные цепи, связанные между собой особым образом путём образования водородных связей между азотистыми основаниями по принципу комплементарноти: пурин связывается только с пиримидином, т.е. Аденин (А) может связываться только с Тимином (Т), а Гуанин (Г, G) - только с Цитозином (Ц, С) и наоборот. При этом ежду А и Т образуются 2 водородные связи, а между Г и Ц - 3. Благодаря комплементарности соединения в цепь число пуринов в молекуле ДНК всегда равно числу пиримидинов, т.е.

А+Г=Т+Ц - это правило Чаргаффа 1951

Хотя водородные связи между парами оснований относительно слабы, каждая молекула ДНК содержит приблизительно 3,3 млрд. пар, так что в физиологических условиях (Т°, рН) цепи никогда не разрываются.

Сахаро-фосфатный остов находится по периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания - внутри.

Другой важной особенностью молекулы ДНК является антипараллельность двух составляющих её цепей, т.е. 5'- конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой.

Третичная структура ДНК

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК образует правозакрученную спираль диаметром 2 нм; длиной шага - 3,4 нм. В каждый виток входит 10 п.н.

ДНК эукариот неоднородна по функциональной значимости и

может быть подразделена на 3 класса:

1. Повторяющиеся последовательности (не транскрибируются) встречаются в геноме до 1млн. раз.

2. Умеренно повторяющиеся последовательности (встречаются в геноме 10² -10³ раз). Это гены тРНК и белков, входящих в состав рибосом, хроматина и рРНК.

3. Уникальные участки с неповторяющимися сочетаниями нуклеотидов.

У человека уникальные участки ДНК составляют не более 10-15% от общей длины молекулы ДНК.

Уникальные участки ДНК являются структурной основой большинства генов человека, в которых закодирована информация о первичной структуре полипептида. Отсюда следует, что жизнедеятельность организма обусловлена, в основном, функциональной активностью уникальных участков, т.е. генов.

Главная функция ДНК заключается в том, что она предназначена для хранения и передачи наследственной информации в клетках про- и эукариот. У вирусов эту функцию выполняет РНК.

Основные отличия ДНК от РНК

1. молекула ДНК - двухцепочечная, молекула РНК - одноцепочечная.

2. По строению она сходна с одной из цепей ДНК, только вместо Тимина, входящего в состав молекулы ДНК в молекуле РНК присутствует Урацил (У) (пиримидиновый нуклеотид).

3. Между ДНК и РНК существуют различия в характере углевода: в ДНК- дезоксирибоза, в РНК - рибоза. В отличие от ДНК, содержание которого в клетке постоянно, содержание в них РНК сильно колеблется и зависит от интенсивности синтеза белка.

Виды РНК

1.Транспортная (тРНК). Состоит из 75-95 нуклеотидов. Осуществляет перенос аминокислот в рибосомы, т.е. к месту синтеза полипептида. 2.Рибосомная (рРНК). Включает 3-5 тысяч нуклеотидов. р РНК составляет существенную часть структуры рибосомы.

3.Информационная или матричная (иРНК или мРНК) - осуществляет перенос информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах.

Все виды РНК синтезируются по матрице ДНК!

Нуклеиновые кислоты отличают от всех других макромолекул два удивительных свойства.

1. способность к само воспроизводству, самокопированию

2. В нуклеиновых кислотах в виде генов записана информация о структуре полипептидов, белков, отвечающих за те или иные признаки и развитие организма

Удвоение(реплакация) ДНК. Перед каждым клеточным делением при абсолютно точном соблюдении нуклеотидной последовательности происходит самоудвоение (редупликация) молекулы ДНК. Редупликация начинается с того, что двойная спираль ДНК временно раскручивается. Это происходит под действием фермента ДНК-полимеразы в среде, в которой содержатся свободные нуклеотиды. Каждая одинарная цепь по принципу химического сродства (А-Т, Г-Ц) притягивает к своим нуклеотидным остаткам и закрепляет водородными связями свободные нуклеотиды, находящиеся в клетке. Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплиментарной цепи. В результате получаются две молекулы ДНК, у каждой из них одна половина происходит от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной, т.е. две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.

Репарация ДНК

Точность репликации ДНК у эукариот поддерживается несколькими механизмами. Во-первых, это самокоррекция, т.е. отщепление ошибочно присоединенного нуклеотида. Этот процесс контролирует ДНК-полимераза и частота ошибок уменьшается в 10 раз (I ошибка на 1 0.000 нукл.). Во-вторых, в организме действует система репарации, т.е. восстановления повреждений ДНК и исходной последовательности нуклеотидов

Наиболее распространенным механизмом репарации ДНК является эксцизионная репарация - вырезание ошибочных нуклеотидов. Механизм эксцизионной репарации ДНК(рис.4.5).

1) эндонуклеаза- (находит и разрезает двойную цепь)

2) экзонуклеаза- вырезает брешь (несколько тысяч нуклеотидов)

3) ДНК- полимераза- застраивает брешь

4) ДНК- лигаза - сшивает разрыв.

 

 

1. генетич.код

Генетический код - это запись в уникальных участках молекулы ДНК информации о структуре белков и полипептидов

Ф. Крик и его коллеги предположили, что информация должна быть выражена через блоки - кодоны. Они предположили, что кодоны должны включать не менее 3-х нуклеотидов. Почему?

В природе обнаружено 20 различных аминокислот, из которых комплектуются все белки. Для того, чтобы зашифровать 20 вариантов аминокислот, генетический код должен включить как минимум 3 нуклеотида, т.к. из двух нуклеотидов можно скомбинировать только 4 =16 вариантов, а из трех нуклеотидой - 4³ = 64 варианта..

Полная расшифровка генетического кода проведена в 60-х годах XX века. Оказалось, что из 64 возможных вариантов триплетов 61 кодирует различные аминокислоты, а 3 являются бессмысленными, или STOP-кодонами: UAG, UAA, UGA кодонами, на которых прекращается считывание наследственной информации (рис. 4.6).

Свойства генетического кода

1. Триплетность: каждый кодон включает 3 нуклеотида^

2. Универсальность: у всех живых организмов, существующих на Земле, генетический код одинаковый, что свидетельствует о единстве происхождения всею живого. Кодон AGA кодирует аминокислоту аргинин и у бактерий, и у человека, и у всего живого.

3. Вырожденность; 61 триплет на 20 аминокислот. Отсюда следует, что некоторые аминокислоты должны шифроваться несколькими триплетами. Это имеет очень важное значение, поскольку замена нуклеотида не всегда может приводить к замене аминокислоты). Например, аминокислоту валин кодируют три триплета: GTT, GTC, GTA, GTG.

4. Специфич ность: каждый триплет соответствует только 1 аминокислоте: GTT- только валин. Кодон ATG является стартовым (метионин).

5. Универсальность: у всех живых организмов, существующих на Земле, генетический код одинаковый, что свидетельствует о единстве происхождения всего живого. Кодон AGA кодирует аминокислоту аргинин и у бактерий, и у человека, и у всего живого.

6. Непрерывность и неперекрываемость (считывается без пропусков).

Классификация генов

Все гены по функциям подразделяются на структурные и функциональные

1. Структурные гены несут информацию о белках-ферментах и гистонах, о последовательности нуклеотидов в различных видах РНК.

2. Среди функциональных генов выделяют:

- гены-модуляторы, усиливающие или ослабляющие действие структурных генов (супрессоры (ингибиторы), активаторы, модификаторы);

- гены, регулирующие работу структурных генов (регуляторы и операторы).

Все клетки многоклеточного организма, возникая из зиготы путем митоза, получают полноценный набор генетической информации. Несмотря на это, они отличаются друг от друга по морфологии, биохимическим и функциональным свойствам. В основе этих различий лежит активное функционирование в разных клетках неодинаковых частей генома. Большая часть генома находится в клетках организма в неактивном, репрессированном, состоянии, и только 7—10% генов дерепрессированы, т. е. активно транскрибируются. Спектр функционирующих генов зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее жизненного цикла и стадии индивидуального разъятая организма.

Основная масса генов, активно функционирующих в большинстве клеток организма на протяжении онтогенеза,— это гены «домашнего хозяйства», которые обеспечивают синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и т. д.), тРНК и рРНК. Транскрибирование этих генов обеспечивается соединением РНК-полимеразы с их промоторами и, видимо, не подчиняется каким-либо другим регулирующим воздействиям. Такие гены называют конститутивными.

Другая группа генов, детерминирующих синтез специфических продуктов, в своем функционировании зависит от различных регулирующих факторов, ее называют регулируемыми генами. Они функционируют только в определенных клетках и тканях и называются генами «роскоши». Изменение условий может привести к активации «молчащих» генов и репрессии активных. Дифференцированная экспрессия одного генома у млекопитающих обусловливает развитие огромного множества типов клеток.

 

 

1. экспрессия генов

Ген -это фрагмент ДНК, ассоциированный с регуляторными элементами и соответствующий одной единице транскрипции, которая определяет возможность синтеза полипептидной цепи или молекулы РНК

Реализация наследственной информации, заключенной в генотипе организма,— это сложный процесс, который требует тонкой регуляции для того, чтобы в клетках разной тканевой принадлежности в определенное время в процессе развития организма обеспечить синтез специфических белков в необходимом количестве (рис. 5.1). Рассмотрим основные закономерности экспрессии (функционирования) генов.