Кувичинська С.П. Предмет Медична біологія Лекція № 2. 2Ас Тема Молекулярні основи спадковості Дата 20.01.3 пара 11.30 -13.30. У Вайбері зареєструватись о 11.30

 

Викладач	Кувичинська С.П.
Предмет	Медична біологія Лекція № 2. 2Ас
Тема	Молекулярні основи спадковості
Дата	20.01.3 пара 11.30 -13.30. У Вайбері зареєструватись о 11.30

 

Завдання: Опрацювати матеріал лекції, підготуватись до практичного заняття.

Лекція № 2

Тема:               Молекулярні основи спадковості.

План лекції.

1.  Структура і функції нуклеїнових кислот.

2.              Визначення поняття гену.

3.              Суть матричного синтезу. Генетичний код.

4.              Реалізація спадкової інформації.

БІОХІМІЧНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ

Електронна мікроскопія, рентгеноструктурний аналіз, мічені атоми, ультрацентрифугування та інші сучасні методи дослідження дозволили більш глибоко вивчити будову клітини, її склад і функції окремих складових.

Зважаючи, що основну масу ядра і хромосом складають білки (70-90%) і приймаючи до уваги їх роль у процесах життєдіяльності, вважалося доведеним, що білки - носії спадковості.

Проте в 1944 році американські вчені О. Евері, К. Мак-Леод і М. Мак-Карті спростували таке твердження і в експериментах по трансформації ознак у мікроорганізмів (пневмококів) довели, що в хромосомах виконують генетичну роль не білки, а нуклеїнові кислоти.

Будова і синтез ДНК

Дезоксирибонуклеїнові кислоти - високомолекулярні сполуки; їх молекулярна маса коливається від 5 000 000 до 40 000 000. До складу ДНК входять: вуглевод - дезоксирибоза, 4 азотистих основи - похідні пурину (аденін і гуанін) та піримідину (тимін і цитозин) і фосфатні залишки. Сполука, до складу якої входить дезоксирибоза, одна з азотистих основ і фосфорний залишок, отримала назву нуклеотид. Розрізняють 4 типи нуклеотидів: аденіновий, гуаніновий, цитозиновий і тиміновий. Аденіну (А) міститься стільки, скільки і тиміну (Т), а кількість гуаніну (Г) рівна кількості цитозину (Ц). Отже, А=Т, або А/Г=1, а Г=Ц, або Г/Ц-1.

Таким чином, сума пуринових основ рівна сумі піримідинових основ. Ця залежність вперше встановлена в 1950р. американським біохіміком Е.Чаргаффом і отримала назву правила Чаргаффа. У цюму полягає одна з особливостей універсальності ДНК.

За співвідношенням (А+Т) і (Г+Ц) представники різних видів відрізняються між собою, причому у тварин переважає пара А+Т, а у мікроорганізмів співвідношення (А+Т) і (Г+Ц) однакове. Ці явища використовують як один із генетичних критеріїв визначення виду. У цьому полягає індивідуальна специфічність ДНК.

Рентгеноструктурним аналізом доведено, що кожна молекула ДНК складається із двох з'єднаних між собою ланцюгів.

Вони відрізняються великою спіральною звивистістю і можуть складатися у щільні стовпчики або розтягуватися в довгі звивисті нитки. Ланцюги утримуються водневими зв'язками, які утворюються між азотистими основами.

Молекули ДНК в порівнянні із білковими мають надзвичайну стійкість. Цим обумовлюється сталість спадковості.

Біосинтез ДНК. Синтез ДНК в організмі людини (називається ще реплікацією) проходить напівконсервативним шляхом, при якому ланцюги материнської (батьківської) ДНК розходяться, і на кожному з них утворюються комплементарні ланцюги дочірньої ДНК.

Синтез ДНК в клітині відбувається під час другої стадії інтерфази і закінчується поділом клітини. Тому материнські клітина деякий час містить подвійну кількість ДНК.

Біосинтез РНК. РНК - рибонуклеїнова кислота, за будовою певною мірою схожа з ДНК. Вона містить вуглевод_: рибозу, до якого приєднуються фосфатні залишки та азотисті основи -аденін, гуанін, цитозин, але замість тиміну - інше похідне піримідину - урацил. Молекула РНК одноланцюгова, дещо спіралеподібне вигнута.

Доведено, що синтез РНК відбувається в ядрі клітини на молекулах ДНК, яка є своєрідною матрицею. У синтезі бере участь спеціальний фермент РНК - полімераза. Синтез ДНК здійснюється тільки на одному ланцюгу ДНК (рис. 31). Молекули РНК синтезуються не по всій довжині молекули ДНК, але лише в певних її ділянках.

Інформаційна РНК. ІРНК (синоніми: матрична-РНК, месенджерна РНК) представлена великими молекулами довжиною від одного до декількох сотень нанометрів (нм). Вона отримала назву Інформаційної РНК тому, що проникаючи через пори ядерної оболонки, несе в цитоплазму (до місця синтезу білка) інформацію про порядок чергування нуклеотидів у молекулі ДНК. Ці молекули гетерогенні і складаються із сотень субодиниць, вони дуже різноманітні за Довжиною, а відповідно і за молекулярною масою. Так, наприклад, у Е.соli молекули мРНК, які кодують поліпептиди розміром в 300-500 амінокислот, містять 1000-2000 нуклеотидів.

У клітині вміст іРНК становить близько 3% всієї РИК. ІРНК переносить генетичну інформацію від ДНК, при її синтезі, за участю спеціального ферменту ДНК-залежної-РНК-полімерази. Послідовність нуклеотидів в іРНК комплементарна послідовності нуклеотидів одного із ланцюгів ДНК.

Одна молекула ІРНК, як правило, несе інформацію про будову одного поліпептидного ланцюга.

Як тільки закінчується побудова на ДНК-матриці ланцюга ІРНК, вона зразу ж переходить у цитоплазму і прикріпляється там до однієї з рибосом. іРНК здійснює інформаційний зв’язок між ДНК і рибосомами. Ріст (синтез) ланцюга ІРНК при 37°С відбувається з швидкістю 43 нуклеотиди за 1с; | середня тривалість життя багатьох іРНК Е.соli близько 2 хв., у тваринних клітинах -12-16 год., а в спеціалізованих клітинах до декількох днів.

Отже, іРНК властиво: швидке оновлення, гетерогенність, комплементарна нуклеотидна послідовність щодо ДНК і здатність з'єднуватися з рибосомами.

Рибосомна РНК (рРНК) - одна із трьох типів РНК клітини, що забезпечує структуру рибосом. На частку рРНК припадає близько 80% структурної РНК клітин. Існує кілька видів рРНК, які відрізняються первинною структурою, нуклеотидним складом і молекулярною масою. За участю рРНК відбувається утворення великої та малої субодиниць рибосом. Так, до складу 308- і 508-субодиниць рибосом прокаріот входять 238 РНК та 168 РНК відповідно з молекулярною масою 1,1x10⁶ та 0,6х10⁶. Крім того, в рибосомах виявлені низькомолекулярні рРНК (58 РНК та 78 РНК), які локалізуються у великих субодиницях рибосом. Рибосомна РНК є важливим компонентом системи, яка необхідна для нормального процесу синтезу білка на рибосомах.

Транспортна РНК (тРНК) відкрита в 1957 році М..Хогландом і К..Огатою. Ними було показано, що під час білкового синтезу активовані амінокислота (аміноациладенілати) переносяться на особливий тип РНК, якій дали назву розчинна РНК, а тепер називають транспортною. У порівнянні з інформаційною і рибосомною РНК транспортна РНК розчинна в клітині і тому її називають розчинною РНК. Транспортні РНК становлять 10-15% усієї РНК клітини. Вони локалізовані в основному у гіалоплазмі клітини, ядерного соку і в безструктурній частині мітохондрій і хлоропластів. Характерною ознакою тРНК є їх невелика молекулярна маса - 20-35 тис. (70-90 нуклеотидних залишків). Вперше первинну структуру (порядок чергування мононуклеотидних залишків) тРНК розшифрував Р. Холлі із співробітниками у 1965 р. Це була тРНК, яка здійснює перенесення амінокислоти аланіну до місця синтезу білка (рибосом). Нині вивчено первинну структуру понад 110 різних тРНК. Вивчення вторинної структури тРНК свідчить про те, що для неї характерна спіралізація в межах одного полінуклеотидного ланцюга. Структура, що при цьому угворюєгься, за формою нагадує листок клену чи конюшини.

У молекулі тРНК виділяють акцепторний кінець (місце приєднання активованої амінокислоти) і антикодонову петлю (містить антикодон - триплет, який комплементарний кодону тРНК).

Принципи генетичного коду

Одним з важливих досягнень у генетиці в 60-х роках було відкриття генетичного коду.

Генетичний код - це система запису інформації про послідовність розташування амінокислот у білках згідно з розміщенням нуклеотидів у ДНК та ІРНК. Ф. Крік із співавторами довели, що ділянка молекули ДНК складається з трьох нуклеотидів і отримала назву триплету або кодону (F. Crick et. al. 1961).

Експериментальне доведено, що код триплетний, тобто три нуклеотиди кодують одну амінокислоту. Розшифровані кодони для всіх амінокислот. Код не переривається - кожна пара нуклеотидних основ відповідає тільки одному кодону. Крім зазначених, код характеризується ще одною властивістю; він вироджений. Що це означає? Із чотирьох різних нуклеотидів можливі 64 різні варіанти поєднання, а для кодування 20 амінокислот достатньо 20 триплетних колонів. Звідси очевидно є кодони - синоніми, це інші 44 кодони. Отже, одну амінокислоту кодує декілька триплетів (див. табл.).

Таблиця

Генетичний код (ІРНК)

 

 

 

Перша буква (5'-кінець)	Друга буква				Третя Буква (3 '-кінець)
	У У	Ц	А	Г
У	Фен Лей Лей Лей	Сер Сер Сер Сер	Тир Тир - -	Цис Цис - Трп	У Ц - Г
Ц	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	Гіс Гіс Глн Глн	Арг Арг Арг Арг	У Ц А Г
А	Іле Іле Іле Мет	Тре Тре Тре Тре	Асн Асн Ліз Ліз	Сер Сер Арг Арг	У Ц А Г
Г	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	Асп Асп Тлу Тлу	Глі Глі Глі Глі	У ц А Г

Примітка. Триплети УАА, УАГ, УГА не кодують амінокислот.

Наприклад, амінокислоті аргініну можуть відповідати триплети ЦГУ, ЦГЦ, ЦГ_А, ЦГ 1 та ш. Виняток складають дві амінокислоти: триптофан і метіонін, які кодуються тільки одним триплетом.

Отже, генетичний код триплетний, неперервний, вироджений, кодони нічим не відділені один від одного. Він зчитується з певної ділянки в межах гена в одному напрямку.

При зчитуванні інформації з молекули ДНК неможливе використання азотистої основи одного приплету в комбінації з основами Іншого триплету.

Визначають також три кодони (УАА, УАГ, УГА), які позначають як нонсенси або беззмістовні. Вони не кодують жодної амінокислоти. Це точки термінації трансляції (закінчення синтезу білка) 3 них розпочинається кодування нової молекули білка.

Властивості генетичного коду:

і. Код триплетний - кожна з 20 амінокислот зашифрована послідовністю розташування трьох нуклеотидів.

2 Код вироджений - кожна амінокислота шифрується більш ніж одним кодоном (від 2 до 6). Виняток складають метіонін, кодується тільки триплетом АУТ і триптофан - УГГ.

3.      Код          специфічний         -          кожний         кодон         шифрує         тільки          одну амінокислоту.

4.              Код універсальний - один триплет однаково ефективно кодує одну І ту ж амінокислоту у всіх живих організмів: від вірусу до людини.

5.              Код ніколи не перекривається - кожний нуклеотид входить лише в один триплет. Кодони (триплети) транслюються - передаються у вигляді Інформації триплета ІРНК - завжди цілком.

6.              Код беззмістовний - між триплетами немає розділових знаків тобто код має лінійний безперервний порядок зчитування.

7.      Триплети УАА, УАГ і УГА визначають припинення синтезу одного поліпептидного ланцюга,оскільки вони не кодують жодної амінокислоти (термінуючі кодони). Вони розташовані наприкінці кожного гена.

8.      Ген. Хімічна будова

9.      В 1909 р. В. Іоганнсен запропонував називати складові фактори спадковості генами. Цей новий термін у генетиці набув визнання і став загальноприйнятим. Проте В. Іоганнсен не пов'язував розташування генів в хромосомах клітинного ядра. Докорінні зміни уяви про ген набули в результаті робіт Т. Моргана і його учнів. Поняття гена в хромосомній теорії спадковості отримало матеріальне підґрунтя. Перш за все було доведено зв'язок генів з хромосомами. Потім встановлено, що гени розташовані в хромосомах лінійно, утворюючи групи зчеплення. Між генами, які знаходяться в одній парі гомологічних хромосом, завдяки кросинговеру може відбуватися рекомбінація. Частота рекомбінацій є функцією відстані між генами,

10.  У хромосомній теорії спадковості ген уявлявся як одиниця спадковості, функції, мутації і рекомбінації.

11.  Проте пізнішими дослідами (М.П.Дубінін, О.С.Серебровський та ін.) було доведено, що ген не можна розглядати як корпускулу, неподільну частку спадкового матеріалу. Ген в дійсності має більш складну будову. Уява про складну будову гена викладена в центровій теорії гена

12.  Весь ген (базіген) складається з окремих ділянок - центрів, названих трансгенами, а явище отримало назву ступінчастий алелізм. Між трансгенами одного гена існують такі ж алельні відносини, як і між функціонально різними генами. Явище ступінчастого алелізму і створення центрової теорії гена похитнуло усталену уяву про неподільність гена як одиниці функції, мутації і рекомбінації. Зазнала сумніву і уява, що ген функціонально неподільна одиниця і неможливість його поділу шляхом кросинговеру.

13.  Подальше вивчення структури і функції гена показало, що ген є. ділянкою хромосоми і контролює розвиток конкретної ознаки. Він має певну довжину, масу, складається із окремих різних за функцією одиниць, які можуть розподілятися кросинговером і самостійно мутувати.

14.  За пропозицією американського фізика і генетика С. Бензера в 1957р. були введені три нові поняття гена: рекон, мутон і цистрон.

15.  Одиниця рекомбінації - рекон. С. Бензер довів, що ген складається з великої кількості дуже мілких, здатних до рекомбінації одиниць. Допускається, що кросинговер може відбуватися між двома сусідніми нуклеотидами, і тоді величину рекона слід визнати рівною одному нуклеотиду. Отже, найменша довжина, яка вже не поділяється кросинговером, може вважатися за одиницю рекомбінації. Бензер назвав її реконом.

16.  Одиниця мутації - мутон. Найменша ділянка молекули ДНК, зміна якої викликає появу мутації, отримала назву мутон. Спочатку вважалося, що мутон - це група, яка складається з п'яти нуклеотидів. Пізніше було доведено, що мутон відповідає одному нуклеотиду. У ряді робіт пропонується замінити термін мутон на одиницю мутації - сайт (site). Вважають, що сайт складається не з одного, а з декількох нуклеотидів.

17.  Одиниця функції - цитрон - найменша функціональна одиниця, даті неподільна на доповнюючі одна одну ділянки.

18.  Згідно з сучасною уявою ген - універсальна структурна одиниця живої матерії, яка завдяки закодованій у ній інформації забезпечує єдність і різноманітність усіх існуючих форм живого, контролює клітинний обмін (метаболізм), спадковість, еволюцію. Тобто ген є структурою (певною ділянкою молекули ДНК), яка кодує яку-небудь окрему ознаку клітини. За хімічною природою ген - це певна ділянка молекули ДНК, на кожному ланцюзі якої у певній послідовності розміщені тринуклеотидні кодони - «кодові слова», що визначають порядок розміщення амінокислотних залишків при синтезі поліпептидного ланцюга Кожний ген займає на хромосомі певне місце -локус. Сукупність генів на структурі ДНК формує генотип. Генотип вірусів містить десятки генів, у бактерій їх сотні, у вищих організмів десятки і сотні тисяч. Всі гени бактерій, як правило, знаходяться в одній хромосомі і об'єднані в функціональні блоки, що контролюють усі ланки метаболізму в бактеріальних клітинах.

19.  В еукаріот, крім ядерних генів, є також нехромосомні гени, які локалізуються в клітинних органелах (мітохондріях, пластидах) і контролюють синтез білків, що забезпечує їх функціонування. Залежно від функцій розрізняють структурні гени (циспірони) та регуляторні (ген-регулятор, ген-оператор). На структурних генах здійснюється синтез (транскрипція) інформаційних (матричних) РНК (мРНК), в послідовності нуклеотидів яких (триплетів) закодована первинна структура поліпептидних ланцюгів (послідовність розміщення амінокислоттшх залишків). Якщо білок має олігомерну структуру (два і більше поліпептидних ланцюги), синтез окремих поліпептидних ланок здійснюється на кількох цистронах, які можуть бути розміщені поряд або знаходяться на різних ділянках геному. Гени-оператори і гени-регулятори разом із групою структурних генів (цистронів) утворюють узгоджено діючі блоки - оперони, які є одиницею транскрипції.

20.  Оперон, його будова і функція

21.  Оперон (від лат. орегоп - працюю, дію) ділянка ДНК, що складається з таких елементів: промотора, гена-оператора, гена-термінатора та структурних генів (цистронів), у нуклео-тидній послідовності яких закодовано одну (еукаріоти) чи кілька (прокаріоти) молекул мРНК, що детермінують (визначають) синтез певних білків (ферментів). Промотор (сигнал початку транскрипції) розміщений на початку оперона і є короткою послідовністю нуклеотидів ДНК, з якою зв'язується фермент РНК-полімераза (є декілька видів ферменту). Після  промотора, як правило, розміщений ген-оператор у прокаріот або акцепторна зона в еукаріот. Ген-оператор - це ділянка ДНК, що безпосередньо прилягає до структурних генів і регулює функціональну активність оперона внаслідок зв'язування з білком репресором, синтез якого кодується геном-регулятором. Ген-регулятор може знаходитись поряд чи на деякій віддалі від оперона. Після структурних генів локалізується ген-термінатор, який є сигналом закінчення транскрипції.

22.  Механізм регуляції роботи оперона здійснюється так. Поки кінцевий продукт D синтезується в необхідній кількості, репресор перебуває в неактивному стані, ген - оператор «включений» і структурні гени працюють. Як тільки продукт D накопичується в кількостях більше, ніж це потрібно клітині, він вступає в реакцію з репресором, останній активується і вступаючи у

23.   взаємодію з геном - оператором, припиняє роботу всієї системи. Але коли в клітині виникає необхідність в біохімічній реакції, продукт Б починає вироблятися і дія репресора припиняється. При цьому вивільнюється ген - оператор. Останній включає роботу структурних генів і синтез необхідного продукту.

24.  Отже, генетична система клітини, використовуючи механізми індукції і репресії, сприймає сигнали щодо початку і закінчення синтезу того або іншого білка (ферменту) і здійснює цей процес з певною швидкістю.

25.  Механізм реалізації спадкової інформації в ознаках організму

26.  Питання щодо впливу спадкової інформації на окремі ознаки актуальне. Проте залишається невивченим склад всіх генів , які входять до генотипу. Про існування у тварин або рослин гена, який впливає на певну ознаку, взнають тільки тоді, коли він зазнав змін, тобто відбулася мутація. Якщо ген залишається незміненим, то про його присутність в генотипі особини нічого не відомо. Наприклад, тільки з появою внаслідок мутації безвухих овець було доведено, що розвиток цієї ознаки обумовлений певним геном. У великої рогатої худоби подібної мутації не відбулося, але спираючись на закон гомологічних рядів спадкової мінливості, можна передбачити, що і у них теж є гени, які впливають на розвиток такої ознаки.

27.  У нижчих організмів - бактерій, вірусів - прояв ознак майже повністю залежить від ферменту, необхідного для її розвитку. Фермент синтезується на молекулі ІРНК, яка утворюється на визначеній ділянці молекули ДНК. Ця ділянка ДНК відповідає певному гену. Отже, у нижчих
організмів взаємодія між геном і ознакою відповідає постулату: «один ген > один фермент > одна
ознака».                                                           

28.  Інша справа з ознаками у вищих організмів. Кожен з них формується в процесі онтогенезу під впливом не одного, а багатьох ферментів у взаємодії з іншими тканинами під впливом певних умов середовища. Отже, кожна така ознака це результат взаємодії численних і складних процесів. Так, на утворення гемоглобіну впливають два гени: забарвлення волосся залежить від складу пігменту і його кількості у волоссі та характеру розподілу; забарвлення шерсті у норки контролюється 12 генами; у великої рогатої худоби колір шерсті зумовлений дією 12 пар генів; у дрозофіли колір очей визначають 20 пар алелей.

29.  Таким чином, у вищих організмів розвиток ознаки відрізняється специфікою взаємодії генів. Тому в залежності від генотипу при одному і тому ж гену ознака може істотно змінюватися. Па розвиток тієї або іншої ознаки впливає багато генів, або певні ділянки молекули ДНК, які синтезують ІРНК, а останні - відповідні ферменти.

30.  Тобто можна стверджувати, що багато генів впливає на синтез багатьох ферментів, а останні в свою чергу на одну ознаку.

31.  Отже, у вищих організмів процес розвитку ознаки відрізняється специфічною взаємодією генів. Так, у гомозиготних за геном чорного забарвлення шерсті корів масть може бути суцільною бурою різних відтінків сірою, тигровою, чорною або плямистою. Кінь з геном чорної масті забарвлення може бути сірим, гнідим, буланим, та ін.

32.  Генотип визначає лише норму реакції організму, напрямок розвитку ознаки. В залежності від умов середовища характер розвитку ознаки зазнає змін.

 

 

33.  Домашнє завдання: Медична біологія: підручнік / В.В. Барціховський.-К.:ВСВ «Медицина» с.31-52.