Молекулярные основы развития

В состав ДНК входят остаток фосфорной кислоты, сахар дезоксирибоза и одно из четырех возможных азотистых оснований, пуриновых (А, Г) или пиримидиновых (Т, Ц). ДНК – полимерная молекула, в ней периодически повторяются все эти компоненты. При гидролизе ДНК образуются нуклеозиды (сахар + основание). Нуклеозиды, соединяясь с одной молекулой фосфорной кислоты, образуют нуклеотиды. Именно они и являются мономерами нуклеиновой кислоты.

Нуклеотидный состав ДНК впервые исследовал в 1905 г Эрвин Чаргафф. Он обнаружил, что в составе ДНК число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых, т.е. А = Т, Г = Ц (по числу водородных связей, возникающих между парами оснований, можно записать: А = Т, Г ≡ Ц). Эта закономерность получила название правила Чаргаффа. По другому правилу можно записать: А + Г = Т + Ц. Эти правила очень важны при проведении генетического анализа биологических объектов. Каждая из пар оснований обладает симметрией, что позволяет ей включаться в двойную спираль ДНК в двух ориентациях: А – Т, Т – А; Г – Ц, Ц – Г. Такая специфичность спаривания называется принцип дополнения, или принцип комплементарности. Пары оснований называются комплементарными.

Молекула РНК тоже полимер, ее мономерами тоже являются нуклеотиды. Однако имеются некоторые отличия: сахар – рибоза, вместо основания тимина входит гомологичное ему вещество – урацил. РНК – однонитчатая молекула. В связи с выполняемыми функциями выделяют несколько видов РНК:

- информационная (и-РНК), или матричная (м-РНК), содержится и в ядре и в цитоплазме клетки. Переносит информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах;

- транспортная (т-РНК) имеет форму клеверного листа, содержится в цитоплазме клетки и переносит молекулы аминокислот;

- рибосомная (р-РНК), самые крупные из молекул РНК, составляет существенную часть рибосомы;

- митохондриальная (мт-РНК) содержится в митохондриях и до некоторой степени является автономной, независимой от клетки. Она имеет собственный ферментативный аппарат и может воспроизводиться без участия ферментативного аппарата клетки.

Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит матрицей.

Воспроизведение и действие гена связаны с матричным синтезом макромолекул – ДНК, РНК, белков, причем, если молекулы нуклеиновых кислот участвуют в хранении и передаче информации, то воспроизведение возможно только с помощью белков.

Воспроизведение информации состоит из нескольких этапов: репликация, или наработка копий ДНК; транскрипция, или перенос информации с молекулы ДНК на молекулу РНК; трансляция, или биосинтез белка.

Транскрипция у эукариот – сложный, многоэтапный процесс. Вначале образуется про-мРНК, в состав которой входят, чередуясь, интроны, или несмысловые кодоны (выполняют регуляторные функции), и экзоны, или смысловые кодоны (несут информацию). В ходе процессинга, или созревания, интроны вырезаются, а экзоны сшиваются в единую молекулу м-РНК. Поэтому любые молекулы РНК будут короче соответствующего участка ДНК, с которого они транскрибировались.

Во время трансляции данный белок считывается с гена, – определенного и всегда постоянного участка молекулы ДНК. Последовательность составляющих ген нуклеотидов определяет последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. В дальнейшем это представление было расширено: ген не обязательно отвечает за синтез полипептида, он может быть регуляторным, т.е. может модулировать действие других генов (разрешать или запрещать считывание информации и т.п.).

Таблица 1 – Биохимический код наследственности (соответствие между кодонами РНК и аминокислотами)

Второе основание	Ц	Г	У	А
Первое основание	Ц	ЦЦЦ ЦЦГ пролин ЦЦУ (про) ЦЦА	ЦГЦ ЦГГ аргинин ЦГУ (арг) ЦГА	ЦУЦ ЦУГ лейцин ЦУУ (лей) ЦУА	ЦАЦ гистидин ЦАУ (гис) ЦАГ глутамин ЦАА (глн)
Г	ГЦЦ ГЦГ аланин ГЦУ (ала) ГЦА	ГГЦ ГГГ глицин ГГУ (гли) ГГА	ГУЦ ГУГ валин ГУУ (вал) ГУА	ГАЦ ГАУ ГАГ ГАА	аспарагиновая кислота (асн) глутаминовая кислота (глу)
У	УЦЦ УЦГ серин УЦУ (сер) УЦА	УГЦ УГУ	цистеин (цис)	УУЦ УУУ УУА УУГ	фенилаланин (фен) лейцин (лей)	УАЦ тирозин УАУ (тир) УАГ границы УАА белка
УГГ	триптофан (три)
УГА	границы белка
А	АЦЦ АЦГ треонин АЦУ (тре) АЦА	АГЦ серин АГУ (сер) АГГ аргинин АГА (арг)	АУЦ АУУ АУА АУГ	изолейцин (иле) метиоин (мет)	ААЦ аспарагин ААУ (асп) ААГ лизин ААА (лиз)

В приведенной таблице генетического кода (таблица 1) представлено соответствие между кодонами РНК и аминокислотами. Большинству из 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул соответствует более чем один триплет (избыточность, «синонимичность» или вырожденность кода). Для того, чтобы составить последовательность аминокислот (расшифровать структуру РНК или ДНК), последовательность нуклеотидов разбивают на триплеты и выбирают соответствующие им аминокислоты, причем вначале берут только первые аминокислоты-«синонимы», затем вторые и т.д.

Изменение состава нуклеиновых кислот не всегда приводит к изменению состава полипептида, благодаря существованию аминокислот-синонимов (избыточность кода).

Репарация генетических повреждений – свойство живых организмов восстанавливать повреждения, возникшие в ДНК в результате воздействия разнообразных мутагенных факторов как радиационной, так и химической природы. В настоящее время описано много реакций репарации. Одни происходят немедленно после мутагенного воздействия, другие требуют индукции синтеза новых ферментов и поэтому растянуты во времени. Некоторые реакции идут до того, как клетки вступят в новую фазу деления, другие могут осуществляться и после того, как клетка закончила деление (при этом часть повреждений в геноме сохраняется неотрепарированной). Если в клетке остались повреждения, которые ни одна из систем репарации не смогла устранить, репликация застопорится на первом же неустраненном поражении, и если их в ДНК много, клетка должна погибнуть.

SOS-репарация. При возникновении множества повреждений в клетках активируется еще один механизм репарации, обнаруженный впервые в 1974 году югославским ученым М. Радманом. Он установил, что при этом индуцируется синтез регуляторных белков, которые присоединяются к ДНК-полимеразному комплексу, «загрубляют» его работу, и такой измененный комплекс становится способным строить дочернюю ДНК напротив дефектных звеньев матричной нити. В дочерней нити теперь появляется довольно много ошибок, мутаций. Радман назвал этот механизм «SOS-репарация».

В результате SOS-репарации клетка спасается от гибели на этом этапе: ее ДНК оказывается удвоенной, хотя и с ошибками, и теперь может произойти клеточное деление, но если жизненно важные функции испорчены, такая клетка все равно погибнет позже из-за неспособности правильно функционировать. Если же возникшие мутации не окажут летального действия, клетка живет, и ее потомки будут нести уже измененную информацию.

Задание: решите приведенные генетические задачи.

1 У больных серповидно-клеточной анемией (СКА) в молекуле гемоглобина глутаминовая кислота замещена на валин. Чем отличается ДНК человека, больного серповидной анемией от ДНК здорового человека?

2 Какое изменение молекулы ДНК сильнее повлияет на строение белка: выпадение одного нуклеотида из триплета или целого триплета?

3 Как изменится состав полипептида, если в участке ДНК, копией которого является м-РНК: УУГГАЦЦГГУУА, произошли следующие изменения: после первого триплета вставлен тимин, после второго и третьего – аденин, а на конце данного участка присоединен кодон, определяющий фенилаланин?

4 Ген состоит из 3 одинаковых смысловых и 4 одинаковых несмысловых участков, причем, интроны состоят из 120 нуклеотидов каждый, а весь ген – из 1470 нуклеотидов. Сколько нуклеотидов будет иметь про-мРНК, м-РНК, каково количество аминокислот в белке?

5 Ген эукариотической клетки содержит 4 интрона (2 по 24 нуклеотида, 2 по 36 нуклеотидов) и 3 экзона (2 по 120 нуклеотидов и 1 – 96 нуклеотидов). Какое количество кодонов входит в про-мРНК, сколько кодонов в м-РНК и каково количество аминокислот в белке?

6 Проанализируйте возможности изменений в структуре синтезируемого полипептида при возникновении следующих мутационных изменений структуры одного из информационных триплетов молекулы м-РНК на другой:

- замена AAA на AГА; – замена ЦУЦ на ЦУУ;

- замена ГГЦ на ГУЦ; – замена УУА на УУГ;

- замена УУА на УГА; – замена УАА на УАЦ.

7 Сколько хроматид отойдет к полюсам в анафазе–2 мейоза у человека?

8 В культуре ткани человека произошла элиминация одной хромосомы. Сколько хромосом будет в дочерних клетках после митоза? Рассмотрите возможность элиминации в разных фазах митоза.

9 Сколько хромосом будет в дочерних клетках, если во время митоза у человека не разошлась одна пара хромосом? Две пары?

10 Доминантный ген Д определяет развитие у человека окостеневшего и согнутого мизинца на руке, что представляет неудобство для человека. Ген в гетерозиготном состоянии вызывает развитие такого мизинца, но только на одной руке. Может ли родиться ребенок с нормальными или двумя ненормальными руками у супругов, имеющих дефект мизинца только на одной руке?

Вопросы для самоконтроля:

1 Зарисуйте в рабочих тетрадях схему этапов синтеза белка.

2 Поясните смысл правил Чаргаффа.

3 Каково значение правил Чаргаффа для биологических исследований?

4 Почему молекулы РНК эукариот короче соответствующего участка ДНК?

5 Какие факторы могут повлиять на процессы воспроизведения генетической информации? Рассмотрите разные этапы воспроизведения информации.

6 Поясните смысл и значение SOS-репарации.

7 Какие последствия для развивающегося организма могут иметь нарушения состава нуклеотидов в молекуле ДНК?