Молекулярні основи спадковості

Молекулярные основы наследственности составляют нуклеиновые кислоты — ДНК (у всех микробов, одноклеточных, растительных организмов, насекомых, животных) и РНК (у некоторых вирусов, в частности онкогенных). Именно в этих крупных биополимерах с помощью единого языка, алфавит которого составляют 4 буквы — нуклеозиды, записана генетическая информация живых существ. В ДНК информация изложена чередованием аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц), которые образуют определенные последовательности, связываясь остатками дезоксирибозы и фосфором в одноцепочечных молекулу.

Потом два комплементарные друг другу цепи образуют водородные связи: аденин-тимин (AT) и гуанин-цитозин (ГЦ), которые закручиваются и образуют двойную спираль, преимущественно правовинтовую, одновременно биологическое и информационную, «змеиные лестница»). Молекула РНК имеет односпиральну структуру. В ее состав вместо тимина входит урацил (У), а вместо остатка дезоксирибозы — рибоза (химически несколько иная пентоза).

Молекула нуклеиновой кислоты (НК) имеет способность к размножению, удвоение или репликации. Размножаются, тиражируются не белки, а нуклеиновые кислоты. При наличии необходимых компонентов и соответствующих ферментов на матрице каждой нити двуспиральной ДНК (после их разъединения) синтезируется комплементарный цепь новой ДНК. Репликация должна полуконсервативной, матричный характер. В каждой двуспиральные молекуле содержится и материнский (старый), и дочерний (новый) цепь нуклеотидов.

На уровне одноклеточных организмов нет смерти от старости. Этот механизм обеспечивает стабильность генетической информации, ее сохранность при процессе передачи потомкам.

При реализации генетической информации происходит декодирование: речь нуклеиновых кислот (четыре буквы А, Т, Г, Ц) должна быть переведена на язык белков (20 аминокислот, условно 20 букв). Это возможно благодаря кодовому принципу: одной аминокислоте соответствует запись из трех нуклеотидов в нуклеиновой кислоте. Например, последовательность аденин, аденин, аденин (ААА) кодирует фенилаланин, а АТТ — лизин. Поэтому генетический код — триплетных. Но с 4 букв (А, Т, Г, Ц) можно получить 64 различные комбинации по 3 буквы (43 = 64), а в природе существует только 20 аминокислот.

Другие триплеты (кодоны) — сочетание трех нуклеотидов — не лишние. Три из них (АТЦ АЦТ, АТТ) — терминуючи, они свидетельствуют о конце синтеза, знаки препинания (как в языке — точка, запятая и т.д.). Другие обеспечивают запас прочности генома, так кодирующих те же аминокислоты, что и основные триплеты. Поэтому генетический код — вырожденный: одна аминокислота может быть закодирована в ДНК 2-4 триплетами. В одном гене кодоны расположены друг за другом, как слова в предложении, не перекрываются, что упрощает запись и делает его стабильным.

Генетический код не перекрывается. У всех живых организмов на Земле в генетической программе те же триплеты кодируют те же аминокислоты. Генетический код еще и универсальный. Но в каждом правиле существуют исключения. В последние ЗО лет исследователи изучали и собирали такие исключения, их оказалось много, возникли новые гипотезы и теории, что и привело к возникновению современной мобильной генетики, которая пришла на смену генетике классической. Сейчас мы знаем, что:

1. генетическая программа не совсем стабильной: существуют мобильные диспергированные гены, или элементы, меняющие свое положение, прыгают с места на место;

2. внутри гена существуют участки с содержанием (Экзоны) и без него (интроны);

3. большое количество информации имеет регуляторные функции;

4. ген — обладает свойством делиться;

5. в геноме имеют место не только уникальные кодирующие последовательности, но и огромное количество повторов информации;

6. запись генетической информации УЮЖЕ отличаться от универсального.

Информационные молекулы содержатся в клетках не только в ядре (основная, самая программа), но и в некоторых органеллах цитоплазмы: митохондриях, плазмидах, других ДНК-или РНК-носителях. Так в митохондриях код отличается от универсального.

Реализация генетической информации, а именно синтез белка, осуществляется в цитоплазматических структурах — рибосомах. Для того чтобы план строения белка донести от ДНК к рибосом, клетка имеет специальные механизмы и подвижные молекулы. Из того, что знаем сейчас, механизм называется транскрипцией, а молекулы — это различные виды РНК. Транскрипция означает переписывание информации с ДНК на РНК. Главным же в синтезе белка является трансляция — перевод информации с одного языка на другой.

Кодовый запись о структуре белковой молекулы переносится с ДНК на информационную (матричную) РНК (она же РНК-переносчик, лат. «Мессенджер», синонимы: иРНК, мРНК, т-РНК) путем комплементарного, матричного синтеза РНК на ДНК, сравнимый с репликацией (синтез ДНК на ДНК). Молекула РНК копирует весь ген эукариот вместе с незначимыми интроны. Такие временные молекулы называются пре-иРНК.

Молекулы пре-иРНК перемещаются из ядра к цитоплазме, а именно к рибосом, состоящие из рибосомных РНК (рРНК) и белков. По пути пре-иРНК модифицируются, из них удаляются незначащие участки кода (интроны). Значение интронов, видимо, очень важное, но еще полностью не расшифровано.

Третий вид РНК составляют относительно маленькие (десятки нуклеотидов) молекулы транспортных РНК (тРНК), которые приносят к рибосом специфические активированные аминокислоты, ставят их на соответствующее место в полипептидной цепи, определенное кодоном иРНК. Только молекула тРНК имеет в своем составе антикодон, комплементарный к кодону иРНК.

Мы уже определили, чем РНК отличается от ДНК. Белок синтезируется по плану иРНК, поэтому и триплеты, кодирующие аминокислоты, чаще записываются комплементарной языке РНК, для фенилаланина это будет УУУ, терминуючи кодоны УАГ, УГА, УАА.

Таким образом процесс реализации наследственной информации от гена к фену (синтез белка — один из них) имеет вид ДНК> РНК> белок. Долгое время эта формула считалась центральной догмой генетики.

В наше время мобильной генетики установлено существование процесса переноса информации от РНК к ДНК. Обратная транскрипция была предусмотрена И открыта С.М Гершензоном и экспериментальное окончательно доказана лауреатом Нобелевской премии Г. М. Темин. Если к этому добавить репликацию ДНК на ДНК и РНК на РНК (возможно, существует в некоторых вирусов), то окончательный запись потока информации будет иметь такой вид:

Синтез нуклеиновых кислот на матрице белка пока не доказан и, наверное, блокирован законами термодинамики. Для его проблематичного существования необходимыми должны быть неизвестны нам энергоснабжающие источники.

В конце XX в. стало известно, что в генотипе человека содержится 50-100 тыс. различных генов. Они кодируют продукты, необходимые для существования клетки (кухонные гены), организму (гены роскоши), или, по нашему мнению, не кодирующие ничего. Последние сейчас называются эгоистичными генами, избыточной генетической информацией, который может содержать или память о прошлой эволюции, или быть резервом (планом) будущей эволюции.

Весь объем генетической информации находится под строгим контролем регуляторных механизмов. Все гены взаимодействуют между собой, образуя единую систему. Регуляция их активности происходит как за относительно простой схеме — продукт гена изменяет активность того или иного гена, так и путем сложного многоуровневого механизма. Он включает процессы регуляции активности генов на этапах транскрипции (до, во время и после нее), трансляции (до, во время и после нее), согласованной, каскадной групповой регуляции трудовой генов (их экспрессия), участия в этом процессе гормонов (общие сигнальные вещества), химической модификации ДНК и других общих модификаторов экспрессии генов. Экспрессия отдельного гена зависит от того, в каком составе (генотипе) этот ген находится. Поэтому существует разная пенетрантнисть (проявка) и экспрессивность (выражение) генов как нормальных (дикий тип), так и мутантных аллелей.

Эти понятия впервые введены в генетику М.В.Тимофеевим-Ресовский. Конкретный генотип человека определяет степень пенетрантности и экспрессивности определенных болезней, даже в отсутствии клинической картины патологии при наличии, казалось бы, необходимого количества мутантных генов.