Строение ДНК И РНК

Контрольная работа

 

 

«Строение ДНК И РНК»

 

Введение

 

Генетика является наукой о наследственности и изменчивости организмов. Она признана раскрыть законы: во-первых - наследственности и  изменчивости при воспроизведении  живого по поколениям; во-вторых - действия генетических программ при индивидуальном развитии особей; в-третьих - наследственности и изменчивости в процессах эволюции; в-четвертых - управления наследственностью  и изменчивостью организмов.

 

Объектами генетики являются вирусы, бактерии, растения, животные и  человек. За последние 30 лет генетика преобразилась под влиянием успехов  учения молекулярных основ наследственности и изменчивости. Было показано, что  наследственные свойства организмов записаны в структурах нуклеиновых кислот. Важнейшие задачи встали перед генетикой  человека. Наследственные болезни называются мутациями генов и изменениями  в структуре и числе хромосом. Некоторые генные болезни получили название молекулярных, так как была обнаружена сущность молекулярных изменений, являющихся первопричиной этих заболеваний. Генетика ставит задачу избавить человечество от наследственных биологических дефектов. Наличие наследственности обусловленной  биохимической и физиологической  уникальности каждого человека приводит медицину к необходимости изучать  сущность индивидуального протекания болезней, природу несовместимости  при пересадках органов, индивидуальная аллергическая реакция, способность  людей к адаптации к различным  условиям жизни, в том числе к  экстремальным - таким, как условия  космоса, жизнь в глубинах океана.

 

Обычно историю генетики делят на этапы классической и  молекулярной генетики. Но на самом  деле её развитие прошло в три различающихся  этапа:

 

. Эпоха классической генетики 1900-1930 гг. Создание теории гена  и хромосомной теории наследственности. Разработка учения о генотипе  и фенотипе, о взаимодействии  генов, генетических принципов  индивидуального отбора в селекции.

 

. 1930-1953 гг. - этап неоклассицизма  в генетике. Возможность искусственного  вызывания изменений в генах  и хромосомах. Обнаружено, ген - сложная  система, дробная на части.  Основаны принципы генетики популяции  и эволюции генетики.

 

. с 1953 г. - синтетическая  генетика ДНК. Развитие теории  гена и теории мутаций, рекомбиногенеза,  биохимической и эволюционной  генетики, иммуногенетики, генетики  человека и других разделов  общей и частной генетики.

 

1. Из истории изучения  нуклеиновых кислот

 

нуклеиновый кислота ген  мутация

 

Открытие нуклеиновых  кислот принадлежит швейцарскому химику Ф. Мишеру, который продолжительное  время изучал ядра лейкоцитов, входящих в состав гноя. Кропотливая работа замечательного исследователя увенчалась успехом. В 1869 г. Ф. Мишер обнаружил  в лейкоцитах новое химическое соединение, которое назвал нуклеином (лат. nucleus - ядро). Дальнейшие исследования показали, что нуклеин представляет собой  смесь нуклеиновых кислот. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях и вирусах. Однако химическое строение нуклеиновых кислот и их основных компонентов устанавливалось  с трудом. В природе существуют два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая. Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а молекула РНК - рибозу

 

С момента открытия нуклеиновых  кислот ученые разных стран интенсивно изучали строение и свойства этого  биоорганического соединения. Был накоплен огромный фактический материал, послуживший  основой, как для последующего исследования нуклеиновых кислот, так и для  практического применения результатов  полученных при их изучении. В 1909 г. в результате гидролиза нуклеиновых  кислот были выделены входящие в их состав сахара: рибоза и дезоксирибоза. В 1936 г. советский ученый А.Н. Белозерский  впервые обнаружил ДНК в клетках  растений. Это открытие имело принципиальное значение - ДНК стали рассматривать  как универсальный биологический  материал. В период с 1900 по 1930 г. проводятся работы по созданию хромосомной теории наследственности, в основу которой  положены данные о том, что материальная структура - гены ДНК - содержат генетическую информацию. Основоположником этой теории является Томас Морган. Именно ему  принадлежит приоритет в применении нового биологического объекта, который  в настоящее время повсеместно  используется при проведении практически  всех генетических исследований. С 1909 г. Т. Морган начал использовать плодовую мушку дрозофилу как объект для  изучения изменения наследственных признаков и их комбинаций. Т. Морган совместно с К. Бриджисом, Г. Меллером и А. Стертевантом разработал и экспериментально обосновал существовавшее в неявном  виде представление о генах - элементарных единицах наследственности и изменчивости. По имени создателя теория получила название концепции морганизма, согласно которой единицы наследственности имеют материальную природу с  конкретной локализацией в хромосомах ядра клеток всех живых организмов. Морганизм является теоретической  основой хромосомной теории наследственности. В 1901 г. вышла в свет книга Г. де Фриза «Мутационная теория», в которой  была дана интерпретация термина «мутация». Книга получила широкую известность, а вместе с ней в жизнь вошел и термин «мутация», хотя непосредственная связь его с ДНК была окончательно установлена гораздо позже. В 1925 г. Г.А. Надсон и Т.С. Филиппов открыли влияние рентгеновских лучей на появление наследственных изменений в эксперименте и обосновали формирование физиологических и биохимических подходов в трактовке понятия гена. Рентгеновское излучение было использовано для ускорения мутационного процесса. В конце 20-х - начале 30-х годов Н.П. Дубинин, А.С. Серебровский с сотрудниками, используя данные Г.А. Надсона и Т.С. Филиппова и результаты собственных экспериментов, доказали сложное строение гена.

 

Нуклеиновые кислоты являются реально существующим субстратом, который  хранит, передает по наследству и воспроизводит  все многообразие свойств и характеристик  живых организмов. С их открытием  развеялся миф об идеалистической  сущности передачи наследственной информации. Было найдено конкретное химическое вещество, которое можно «потрогать руками», вещество, несущее генетическую информацию. Это открытие в значительной степени стимулировало практическое использование биологических знаний, в частности для изучения наследственных заболеваний. В 1908 г. А. Гаррод впервые  проследил на практике связь между  материальным носителем наследственной информации - нуклеиновой кислотой, являющейся структурной основой  гена, и ферментом, кодируемым этим геном. Впервые был показан путь к изучению молекулярных основ наследственных заболеваний. Был снят мистический  покров с доселе загадочного явления  передачи патологических признаков  от родителей потомству. Конечно, А. Гаррод знал о существовании нуклеиновых  кислот и о том, что они находятся  в ядре клетки, но в своем открытии он руководствовался собственными наблюдениями, статистическими исследованиями, а  не имеющейся в то время скудной  информацией о нуклеиновых кислотах, которые были чрезвычайно мало изучены. На основании своих наблюдений и  клинического материала, накопленного к тому времени другими ученными, А. Гаррод сформулировал концепцию  о врожденных болезнях, связанных  с нарушением обмена веществ.

 

В 1926 г. А. Стертевант ввел в  употребление понятие инверсии. В  генетических исследованиях оно  имеет большое значение. Он обнаружил  это явление при изучении кроссинговера  у самок плодовой мушки дрозофилы. При этом А. Стертевант обнаружил, что  срединный участок одной из хромосом третьей пары перевернут на 180°, т.е. поставлен в обратном направлении. Вот этот переворот участка хромосомы  и стали называть инверсией. Инверсии бывают простые (одиночные) и сложные. Причем сложные инверсии ведут к  весьма значительным перестановкам  блоков генов. В 1928 г. советский биолог К. Кольцов намного опережая открытие Д. Уотсона и Ф. Крика, в ясной  форме высказал предположение о  матричном синтезе, т.е. о том, что  в настоящее время понимают под  механизмом репликации и транскрипции. В 1950-1953 гг. Э. Чаргафф с сотрудниками опубликовал сенсационную серию  работ, по изучению химической структуры  нуклеиновых кислот. Они обследовали  огромное количество разных организмов, брали образцы из различных органов  и тканей. Проведенные исследования показали, что в состав ДНК, выделенной из ядер клеток человека, входят 30% аденина, 20% гуанина, 20% цитозина, 30% тимина. В  то же время у бактерий например Sarcina lutea, эти цифры значительно отличаются и составляют соответственно 13%, 37%, 37%, и 13%. Эти и другие наблюдения позволили сделать вывод, что в состав LНК разных организмов входит неодинаковое количество азотистых оснований. Но для одного и того же организма соотношение между нуклеотидами сохраняется постоянным, из каких бы клеток ни выделяли ДНК. Это значит, что во всех клетках, например, человека, ядерная ДНК будет содержать 30% аденина. И какой бы штамм бактерий Sarcina lutea ни был взят, в какие сроки и в каких бы то но было условиях ни проводились эксперименты, содержание в них аденина будет всегда равным 13%, тимина - 13% и т.д.

 

Итак, общее количество адениновых остатков в каждой молекуле ДНК равно  количеству тиминовых остатков, а  количество гуаниновых единиц - количеству цитозиновых. В дальнейшем этим открытием, получившим название «правило Чаргаффа»  воспользовались Дж. Уотсон и Ф. Крик при построении моделей молекулы ДНК. На основании проведенных исследований было высказано предположение, что  такая закономерность обусловлена  наличием генетического кода, заключенного в структуре ДНК.

 

В этот же период было сделано  еще одно уникальное открытие, указавшее  на важную роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации. Брали клетки совершенно различных, удаленных друг от друга органов  и тканей. Исследования показали, что  ядро любой клетки содержит примерно 6*10 мг ДНК. Только в яйцеклетках и  сперматозоидах содержание ДНК было в два раза меньше, чем в клетках  остальных тканей. Такое открытие вызвало два предположения. Во-первых, оно говорило об универсальных свойствах  ДНК в пределах одного организма, о том, что в отношении хранения и передачи наследственной информации, заключенной в ядре клетки, все  клетки организма равны, независимо от того, откуда они были взяты. Во-вторых, в любом организме имеется  два типа клеток: соматические клетки - клетки тела организма (в переводе с греч. «сома» - тело) и половые клетки - клетки, связанные с размножением организмов. Между соматическими и половыми клетками существует отличие, которое проявляется в диплоидном и гаплоидном наборе хромосом. Диплоидный - это парный набор хромосом, гаплоидный - одинарный. Именно поэтому в половых клетках находится в два раза меньше нуклеиновых кислот, чем в соматических. Таким образом, вроде бы несложные количественные исследования нуклеиновых кислот дали важную по содержанию информацию. В 1950 г. Л. Полинг показал, что полипептидные цепи имеют ? - спиральную конфигурацию, на основании чего он высказал предположение, что и молекула ДНК, по-видимому, имеет спиральную структуру, закрепленную водородными связями. Это послужило еще одним косвенным подтверждением существовавшего предположения о винтообразной структуре ДНК. Было показано, что возможно существование нескольких устойчивых различных конфигураций последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи, одной из которых является ? - спираль. Конфигурация ? - спираль является одной из наиболее распространенных структур пептидной цепи. Именно такая структура дает возможность образования водородных связей между аминокислотами, находящимися рядом на смежных витках цепи. Поэтому естественно было предположить, что аналогичный механизм свойственен и для нуклеиновых кислот, так как по протяженности и числу составных элементов - в данном случае мононуклеотидов - они вполне соответствовали полипептидным цепям. В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик обосновали существование двойной спирали ДНК и впервые предложили адекватную модель молекулы ДНК, которая объяснила все факты, связанные с функционированием нуклеиновых кислот. Она показала, каким образом молекула передает информацию и воспроизводит сама себя. По сути дела, был открыт способ записи и воспроизведения генетической информации на молекулярном уровне. Д. Уотсон и Ф. Крик сами не проводили рентгеноструктурных исследований нуклеиновых кислот, но воспользовались данными М. Уилкинса и Р. Френклин и работами Э. Чаргаффа. Основным компонентом хромосом является ДНК. Д. Уотсон и Ф. Крик выделили два основных структурных свойства ДНК: ее двуспиральность и комплементарность, иначе говоря, соответствие друг другу цепей ДНК. От этих двух свойств зависит репликация генетического материала, т.е. возможность создания себе подобной структуры ДНК. В процессе репликации двойная спираль ДНК раскручивается и на каждой из цепей, как на матрице, строится комплементарная ей дочерняя цепь.

 

 

2. Дезоксирибонуклеиновые  кислоты

 

.1 Состав, структура и свойства  дезоксирибонуклеиновой кислоты

 

Молекулы ДНК, выделенные из ядер клеток, в электронном микроскопе представлены в виде длинных нитей, состоящих из большого числа дезоксирибонуклеотидов. Нити ДНК толще и длиннее, чем  нити белков. Длина молекулы ДНК  достигает сотен тысяч нанометров. Это несравнимо больше самой крупной  белковой молекулы, которая в развернутом  виде достигает в длину не более 100-200 нм. Молекула ДНК по массе достигает 6*10-12 грамма. Генетическая информация, заключенная в ДНК, состоит из последовательности нуклеотидов. ДНК  состоит в основном из четырех  нуклеотидов, которые соответствуют  четырем азотистым основаниям: аденину, гуанину, тимину и цитозину. Кроме  этих оснований, препараты ДНК могут  содержать метилированные производные  этих оснований. Основную структурную  цепь молекулы ДНК образуют последовательно  соединенные друг с другом молекулы пентозы и ортофосфорной кислоты. Цепь ДНК представляет углеводно-фосфатную  последовательность, с которой соединены  азотистые основания. Углеводные и  фосфатные группы выполняют только структурную функцию. Молекулы ортофосфорной  кислоты соединяют между собой  молекулы дезоксирибозы за счет образования  химических связей. При взаимодействии гидроксильной группы 3-го атома  углерода одной молекулы пентозы  с гидроксильной группой 5-го углеродного  атома другой молекулы пентозы отщепляется  молекула воды. Тогда у остатков ортофосфорной кислоты сохраняется  еще по одной гидроксильной группе, способной диссоциировать. Это обусловливает  кислотные свойства всей макромолекулы  ДНК.

 

Молекула ДНК имеет  две цепи нуклеотидов, расположенных  параллельно друг другу, но в обратной последовательности. Эти цепи удерживаются между собой за счет водородных связей между парами аденин - тимин и  гуанин - цитозин. При этом азотистые  основания располагаются внутри спирали. Водородные связи образуются между любым электроотрицательным атомом, например кислородом тимина или  азотом аденина и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом. Между аденином и тимином  образуются две водородные связи, между  гуанином и цитозином - три. Эти связи  играют очень важную роль в поддержании  вторичной структуры ДНК.

 

Дополнение аденина тимином  и гуанина цитозином, иначе называемое комплементарностью, обеспечивает одинаковое по всей длине двойной спирали  расстояние между цепями и образование  между противоположными основаниями  максимального числа водородных связей, что придает молекуле одновременно устойчивость и подвижность. Последовательность оснований в одной цепи ДНК  строго соответствует последовательности оснований в другой цепи. Это является необходимым условием функционирования ДНК и передачи наследственной информации. При необходимости двойная спираль  ДНК легко рвется под действием  фермента дезоксирибонуклеазы. Молекула ДНК в ядре клетки не существует изолированно сама по себе. Она окружена связанными с ней белками. Но белки  не принимают участия в передаче наследственной информации. Основными  белками, локализованными в ядре клеток и связанными с ДНК, являются специальные белки, называемые гистонами. Гистоны обладают основными (щелочными) свойствами благодаря высокому содержанию в них основных аминокислот. По-видимому, их действие компенсирует в некоторой степени кислотные свойства нуклеиновых кислот. По преобладающему содержанию аминокислот выделяют пять важнейших гистонов: гистон Н1 имеет высокое содержание лизина, гистон Н2b лизина содержит меньше, чем предшествующий гистон, гистон Н2а имеет высокое содержание лизина и аргинина, гистон Н3 содержит большое количество аргинина, гистон Н4 богат аргинином и глицином.

 

Помимо ядерной ДНК, эукариотические  клетки содержат небольшое количество цитоплазматической ДНК, т.е. ДНК, которая  располагается в цитоплазме, за пределами  ядра. Эта ДНК называется внеядерной. На долю внеядерной ДНК приходится около 0,1-0,2 всей клеточной ДНК. Внеядерная ДНК отличается от ядерной составом азотистых оснований и молекулярной массой. Она находится в митохондриях - постоянно присутствующих внутриклеточных органоидах, участвующих в преобразовании энергии в клетке. Небольшое количество ДНК содержат некоторые пластиды растительных клеток, в частности хлоропласты, - пластиды, имеющие хлорофилл и участвующие в процессе фотосинтеза.

 

При нагревании ДНК денатурирует, т.е. разрушается. Денатурация двух цепочек ДНК происходит при температуре  выше 900С, а инактивация (частичное  разрушение) начинается про температуре 850С. При нагревании раствора ДНК и одновременном регистрировании оптической плотности раствора при длине волны 260 нм при определенной температуре произойдет резкое увеличение поглощения света раствором. Наблюдается так называемый гиперхромный эффект. Температура, при которой наблюдается гиперхромный эффект, называется температурой плавления. Гиперхромный эффект при температуре плавления связан с тем, что происходит разрыв водородных связей и нарушается упорядоченность молекулы ДНК. Понятие температуры плавления в отношении ДНК связывают с кристаллическим состоянием молекулы ДНК до соответствующей температуры и нарушением упорядоченной структуры при нагревании выше температуры плавления. Характер дифракции рентгеновских лучей также указывает на кристаллическое строение дезоксирибонуклеиновой кислоты.

 

2.2 Представление о гене  и генетическом коде

 

Ген - это элементарная единица  наследственности, представляющая собой  определенную специфическую последовательность нуклеотидов в ДНК. В хромосомах диплоидных организмов гены расположены  парами. Хромосома разделена на участки - локусы. Локус - это место расположения того или иного гена в хромосоме. Сам ген состоит из двух или  нескольких аллелей. Аллель - это один или несколько вариантов гена, которые могут находиться в данном локусе хромосомы. Таким образом, аллель представляет собой состояние гена, определяющее развитие данного признака.

 

Общее число генов в  клетке высших организмов составляет около 100000. Каждому гену соответствует  свой белок. Структурные гены в геноме расположены в такой последовательности, в какой действуют образующиеся под их контролем ферменты. Структурными гены называются так потому, что  они определяют структуру ферментов. Например, синтез аргинина происходит в четыре этапа, каждый из которых  контролируется определенным ферментом. Вся последовательность ферментов  закодирована в ДНК в виде генов  в той же последовательности. В  генах закодирована генетическая информация, единицей которой является кодон - группа из трех по последовательных нуклеотидов, иначе называемая триплетом. Многие гены, по крайней мере у прокариот, входят в состав оперона. Оперон - это группа генов, определяющая синтез функционально связанных ферментов. В него входят структурные и другие гены, например, ген - регулятор, который с небольшой, но постоянной скоростью обеспечивает синтез специфического белка, называемого репрессором. Этот белок обладает сильным сродством к гену-оператору и может легко присоединяться к нему. Ген - оператор управляет функционированием структурных генов. Он как бы то включает их, то выключает. При связывании гена-оператора с белком-репрессором работа структурных генов прекращается. Долгое время считалось, что генетический аппарат клетки неподвижен, фиксирован и все гены занимают в нем строго определенное положение. Однако ряд данных не согласовывался с этим положением. Еще в конце 40-х годов Б. Макклинток (США) получила на кукурузе ряд мутаций, которые она объяснила наличием генетических элементов, меняющих свое место в ДНК. Это положение было настолько революционным, что к нему отнеслись вначале с большим недоверием. Тем более что полученные автором экспериментальные данные были только косвенным. Позднее подвижные гены были обнаружены у бактерий. Сейчас считается, что и в клетках животных не все гены строго фиксированы - среди них также существуют подвижные гены, которые играют важную роль в эволюционном процессе. С подвижными генами, возможно, связано и возникновение злокачественных опухолей.