Основные свойства и функции наследственного материала.

Мы не случайно подробно остановились на матричном принципе передачи информации. Все другие многочисленные свойства присущие наследственному материалу практически являются отражением этой главной характеристики генетического материала.

Важно отметить, что перевести информацию из одной биологической системы в другую можно различными путями, например, при помощи электромагнитных волн, электрического сигнала и т.д. В системах функционирующих по матричному принципу информация передаётся путём синтеза на молекуле, несущей информацию, других молекул, в структуре которых воспроизводится эта информация. Это воспроизведение основано на принципе комплементарности (см. ранее).

Синтезированные таким путём дочерние молекулы, по химическому строению, могут быть трёх типов: идентичные матричным, родственные им и совершенно иными. Идентичными дочерними молекулами считаются такие, которые сходны по химическому строению с молекулой, которая была матрицей во время синтеза. В этом случае обе молекулы (и матричная и дочерняя) относятся к одному классу или обе молекуля\ы являются ДНК или обе молекулы – РНК. Если же на молекуле ДНК синтезируется РНК, то последняя является родственной матричной молекуле ДНК. И, наконец, синтезированные белки будут совершенно отличаться по химической структуре от молекулы ДНК в которой хранилась информация об их структуре. В соответствии с этим, процессы обеспечивающие синтез различных типов молекул также подразделяют на три типа.

1. Репликация – воспроизведение информации путём синтеза на одной молекуле её копии – ДНК на ДНК или РНК на РНК. Вновь синтезированная молекула называется дочерней и полностью идентична материнской (или матричной молекулы). Синонимы репликации – ауторепликация, редупликация, ауторедупликация, авторепродукция, самовоспроизведение, самокопирование и т.д.).

Процесс репликации ДНК у человека осуществляется в ядре и митохондриях клетки. У вирусов он осуществляется в ядре клетки-хозяина. Репликация молекул нуклеиновых кислот может быть двух типов – репликация ДНК и репликация РНК (рис. 33). Репликация РНК ограничена узким кругом РНК содержащих вирусов. К таким вирусам относится, например, всем известный вирус гриппа.

2. Транскрипция – передача информации с одной нити ДНК на родственную ей нить РНК. Этот процесс осуществляется путём синтеза молекулы РНК на матрице (одной нити) ДНК. Синтез всех видов РНК осуществляется в ядре или митохондриях.

3. Трансляция – перевод информации с иРНК на структуру белка в результате матричного синтеза. Синтез белка осуществляется в цитоплазме, на ЭПС и в митохондриях. Перечисленные процессы обеспечивают три важных свойства наследственного материале – воспроизведение информации (репликация), передачу информации (транскрипция) и реализацию информации (трансляцию). В любом случае все перечисленные свойства реализуются одним путём - за счёт синтеза на матричных молекулах других молекул. Такая общность трёх процессов позволяет разбить их на три

 

 

 

Рис. 33. Блок-схема типов репликации полинуклеотидов.

 

одинаковые этапы. Реакции репликации, транскрипции и трансляции происходят в три этапа:

1. Инициация – подготовительный этап.

1. Элонгация – синтез дочерних молекул, РНК или полипептида.
2. Терминация – окончания синтеза.

Следует подчеркнуть, что наследственный материал имеет ещё несколько важных свойств, без которых живые существа имели бы мало шансов на выживание. К ним относятся – способность наследственных структур записывать, сохранять и изменять имеющуюся информацию.

Запись информации осуществляется на основе генетического кода. Тройка нуклеотидов в ДНК шифрует определённые аминокислоты, а последовательность их расположения в ДНК определяет последовательность аминокислот в белке.

Правильное сохранение информации в ДНК обеспечивается процессом репарации и коррекции репликации. Возникшие повреждения в ДНК и ошибки в генетическом кодировании «ремонтируются» специальными системами.

Изменение информации. Это свойство обеспечивает создание различных вариантов генома организмов, что открывает широкие возможности для создания в эволюции новых адаптационных вариантов. В основе этого свойства лежат различные механизмы – генетическая рекомбинация, мутагенез и т.д. Как это ни странно, оптимальное функционирование некоторых генетических программ зависит от специфических перестроек (изменений) в ДНК (см. далее). С другой стороны многие перестройки генома не запрограммированы. И любое изменение структуры наследственного материала может привести к непредсказуемым и тяжёлым последствиям.

Резюмируя вышеизложенное, перечислим основные свойства наследственного материала и назовём элементы и механизмы (в скобках), ответственные за их реализацию в фенотипе.

1. Способность кодировать информацию (генетический код).
2. Способность воспроизводить информацию (репликация).
3. Способность реализовать информацию (трансляция).
4. Способность правильно сохранять информацию (репарация).
5. Способность передавать информацию (транскрипция).
6. Способность изменять информацию (мутация и генетическая рекомбинация).

Следует подчеркнуть, что процессы лежащие в основе реализации выше перечисленных свойств функционируют не изолированно друг от друга. Находясь в одном или близких компартментах (отделах) клетки, имея иногда один и тот же субстрат и схожие принципы реализации, эти механизмы иногда не только дополняют друг друга (например, механизмы репликация одинаково необходима для сохранение и воспроизведение информации), но и находятся в тесном взаимодействии. Выключение любого из них сразу же нарушит нормальную жизнедеятельность организма.

Рассмотрим вышеперечисленные шесть механизмы в той последовательности, в которой они изложены выше.

 

МЗ. Матричный принцип переноса информации заключается в синтезе на молекуле, которая несёт информацию, другой молекулы, в структуре которой воспроизводится информация. Основными свойствами наследственного материала являются: