Генетический код

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО

ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра БиМАС

Курсовая работа

На тему: Генетический код

Выполнил студент Р911гр

Мустафаев Р.Р.

Проверила

ст. преп. Магомедсаидова С.З.

Махачкала 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Место биофизики в естествознании

Глава 2. Нуклеиновые кислоты в живых организмах

2.1 Из истории изучения нуклеиновых кислот

2.2 Дезоксирибонуклеиновые кислоты

2.2.1 Состав и структура дезоксирибонуклеиновой кислоты

2.2.2 Физико-химические свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты

2.2.3 Представление о гене

2.2.4 Генетический код

2.3 Строение и свойства рибонуклеиновых кислот

2.3.1 Структура рибонуклеиновых кислот

2.3.2 Информационная рибонуклеиновая кислота

2.3.3 Транспортная рибонуклеиновая кислота

2.3.4 Рибосомная рибонуклеиновая кислота

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Всем известна важность познания системы генетического кодирования. Именно с успехами познания генетического кода связаны многие существенные изменения, которые несет в нашу жизнь генная инженерия и смежные с ней ветви науки и техники, обеспечивающие немыслимые прежде диагностические и лечебные возможности медицины, задачи по клонированию организмов, продления жизни, невиданных сельскохозяйственных урожаев и уровней производительности микробиологической промышленности и т.п.

Это влияние будет проявляться в самых разных сферах науки и техники, например, на появлении новых материалов с удивительными свойствами и характеристиками. Так, уже имеются полученные средствами генной инженерии необычно прочные нити биологического происхождения, недаром носящие название "биосталь''.

Большие изменения происходят в медико-технической инженерии, поскольку медицина обретает иную цель: не бороться с болезнями, а предупреждать их.

Биохимическая система, обеспечивающая сложнейшую задачу хранения и передачи наследственной информации, оказывается сопряженной с весьма простыми алгебраическими принципами структуризации.

Тот факт, что строение генетического кода в определенном смысле однотипно, может использоваться для объяснения различных форм их коллективной самоорганизации, взаимно согласованного поведения и эволюции открывает новые горизонты в познании свойств генетического кода.

ГЛАВА 1. МЕСТО БИОФИЗИКИ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Наука, изучающая физические свойства биологически важных молекул, молекулярных комплексов, клеток и сложных биологических систем, а также протекающие в них физические и физико-химические процессы.

Биофизические исследования используются при изучении механизмов возникновения болезней человека, разработке новых лекарственных средств, методов лечения и диагностики, а также при создании современной медицинской техники.

Изучение физико-химической основы биологических явлений, протекающих на молекулярном уровне, стало возможным благодаря успехам физики и физической химии в конце 19 - начале 20 в. По мере совершенствования методов физико-химических исследований возможности биофизики значительно расширялись. Интенсивному развитию науки способствовало появление новых физических методов -- рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии, прецизионной спектрометрии и спектрофлюориметрии, электрометрии, оптических измерений, методов, основанных на ядерном магнитном резонансе (ЯМР) и др., а также компьютерной техники. Изучение явления ЯМР и распространения ультразвуковых волн в тканях с применением компьютерной техники привело к созданию новых, перспективных методов диагностики -- ЯМР и ультразвуковой томографии. Разрабатываются методы автоматической расшифровки ЭКГ, изучения магнитных полей человека, современные методы лабораторной диагностики, основанные на измерении люминесценции, хемилюминесценции, светорассеяния. Создаются новые аппараты для физиотерапии, основанные на действии колебаний сверхвысокой частоты в различных диапазонах частот, лазеров разных спектров, УФ-излучения в сочетании с хемотерапией и др.

Биофизика включает квантовую биофизику, молекулярную биофизику, биофизику клетки и биофизику сложных систем (органов, тканей, организма). Сведения из различных разделов биофизики, используемые в медицине, условно объединяют в комплекс под названием «медицинская биофизика».

Квантовая биофизика изучает вопросы взаимодействия света и биологических структур (молекул, биологических мембран, клеток, тканей), а также электронную структуру биологически важных соединений и ее связь с их химическими свойствами и биологической активностью. При этом используются теоретические расчеты молекулярных орбиталей, спектральный и люминесцентный анализ методы, основанные на электронном парамагнитном резонансе в сочетании с техникой импульсного и непрерывного облучения биологических объектов различными источниками света, включая лазеры, при обычных температурах и в условиях глубокого охлаждения объектов жидким азотом или гелием. С помощью этих методов медицинская Б. изучает первичные процессы, возникающие при действии УФ-излучения на кожу, клетки, плазму крови и зрительный аппарат, участие в них молекул белков, нуклеиновых кислот и коферментов, поглотивших квант света, а также продуктов окисления липидов. В присутствии фотосенсибилизирующих средств эти процессы могут происходить при облучении организма не только коротковолновым (240--300 нм), но и длинноволновым (более 300 нм) и даже видимым светом. Интенсивный видимый свет, например свет лазеров, может вызвать фотохимические реакции в активных центрах ферментов, лежащие в основе механизма терапевтического действия низкоэнергетических лазеров.

Большой интерес представляет изучение роли свободных радикалов в жизнедеятельности клеток и развитии патологических процессов в организме. Как выяснилось, образование свободных радикалов может происходить не только в результате фотохимических реакций или действия на клетки ионизирующего излучения, но и в процессе биохимических реакций, протекающих при активации фагоцитирующих клеток (макрофагов и гранулоцитов). нарушении функций митохондрий и системы гидроксилирования чужеродных соединений в эндоплазматаческом ретикулуме. Образующиеся при этом активные формы кислорода, включая супероксидный радикал, обладают сильным цитотоксическим действием. Изучение механизма этих процессов привело к созданию методов контроля за их интенсивностью, основанных на измерении хемилюминесценции (свечения, возникающего за счет этих реакций), а также лекарственных препаратов, ограничивающих развитие свободнорадикальных реакций -- супероксиддисмутазы, токоферола, ретинола и др.

Молекулярная биофизика изучает структуру макромолекул, их физические свойства и связь строения молекул с их функцией. Основные объекты исследования -- нуклеиновые кислоты и белки, а также полисахариды и липидные комплексы. Эти исследования способствуют раскрытию природы ряда патологических процессов, развитию генной и белковой инженерии, открывающих большие перспективы для создания наиболее эффективных методов лечения болезней человека. Получение белков с заданными свойствами может послужить основой для разработки принципиально новых лекарственных средств, физические свойства и биологическая активность которых могут быть предсказаны на основании анализа этих свойств у белков и пептидов и путем компьютерных расчетов их структуры.

Биофизика клетки изучает строение и функции клеточных мембран , природу клеточной подвижности, биоэлектрогенез, межклеточные взаимодействия и другие вопросы, связанные с физическими свойствами клетки. Большие успехи достигнуты в изучении физических свойств липидного слоя мембран, от которых зависит функционирование большинства мембранных ферментов, транспорт ионов и различных химических веществ, а также генерация биоэлектрических потенциалов. Исследования показали, что изменение вязкости липидного слоя мембран приводит к нарушению их функций, которое в свою очередь может вызвать развитие в тканях патологических процессов. Тяжелые последствия (потеря мембранами барьерных свойств, дезорганизация внутриклеточных процессов и гибель клетки) отмечаются вследствие резкого увеличения проницаемости липидного слоя мембран или его электрического пробоя собственной трансмембранной разностью потенциалов. В основе многих сердечно-сосудистых, нервных болезней и болезней почек лежат нарушения проводимости ионных каналов; механизм этих нарушений также является предметом изучения биофизики клетки. Исследование проницаемости и электрических свойств мембран лежит в основе изучения механизма и эффективности действия многих лекарственных препаратов. Выявлены физические основы межклеточных и межмембранных взаимодействий -- адгезия (сцепление) между клетками и при контакте клеток с различными поверхностями, а также их электрические контакты. Значительные успехи достигнуты в расшифровке механизма слияния мембран, наблюдаемого на определенных стадиях различных клеточных процессов, таких, например, как пиноцитоз, секреция, деление клетки. Эти исследования имеют большое значение в онкологии, так как нарушение межклеточных взаимодействий характерно для опухолевого процесса.

Биофизика сложных систем достигла наибольших успехов в области изучения электрических полей в органах и тканях и, в первую очередь, электрического поля сердца и биопотенциалов головного мозга. Благодаря применению ЭВМ стали возможны расчеты электрического поля сердца, основанные на электрических свойствах отдельных клеток, а хорошо разработанные теоретические основы электрокардиографии и ее модификаций (например, вектор электрокардиографии) позволяют при анализе изменений электрической активности сердца выявить механизмы нарушений функции отдельных участков сердечной мышцы и отдельных клеточных структур, распространения возбуждения в возбудимых тканях, к которым относится мышца сердца, а также механизмы возникновения спонтанных очагов возбуждения, приводящего к аритмиям. Все эти исследования используются при создании систем мониторного наблюдения за состоянием больных, находящихся в условиях интенсивной терапии, и во время хирургических операций. Недостаточно изучена электрическая активность головного мозга в силу исключительной сложности его сигналов, обусловленной суперпозицией большого числа биопотенциалов отдельных клеток. Использование статистических методов обработки сигналов -- один из подходов к их анализу. Информация об электрической активности головного мозга расширилась благодаря измерению электрической активности отдельных его участков с помощью набора электродов во время нейрохирургических операций.

Изучением механических свойств биологических тканей и жидкостей, а также различных механических процессов в организме, таких, например, как мышечное сокращение, внешнее дыхание, гемодинамика, занимается Биомеханика. Исследования в биомеханике осуществляются методами Б. с использованием достижений смежных наук -- биохимии, цитологии, физиологии.

Исследование физических процессов в органах чувств проводится на молекулярном и клеточном уровнях. Центральной проблемой в этой области стало изучение физической основы процесса рецепции, т.е. механизма преобразования различных раздражений (звуковых, механических, химических, световых и др.) в электрические сигналы, поступающие в анализаторы головного мозга. Наиболее значительны достижения в изучении физико-химической основы зрительной рецепции. Расшифрован механизм превращений родопсина после поглощения им кванта света. Выявлена связь между превращениями родопсина и активацией систем вторичных мессенджеров (кальция и циклических нуклеотидов) в зрительных рецепторах с последующим формированием в них электрического сигнала. Результаты этих исследований, а также достижения других разделов Б. (квантовой, молекулярной) позволили изучить механизмы развития ряда болезней глаз. В частности, стало известно, что в патогенезе катаракты и дегенерации сетчатки ведущую роль играет активация свободнорадикальных процессов, вызванная нарушением функции защитных систем клеток -- ферментов глутатионпероксидазы и супероксиддисмутазы, а также систем связывания ионов железа, антиоксидантов. На основе этих исследований осуществляется поиск новых лекарственных средств для лечения болезней глаз. Результаты изучения физики и физиологии органов слуха и зрения позволили приступить к созданию искусственных органов чувств.

Наука, изучающая физические явления в клетках, тканях, органах и в целом организме, их физические свойства, а также физико-химические основы процессов жизнедеятельности.

ГЛАВА 2. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

2.1 ИЗ ИСТОРИИ ИЗУЧЕНИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

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 нуклеиновьтх 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.

Каково же реальное значение открытия нуклеиновых кислот? Какой вклад в науку и мировоззрение людей внесли полученные результаты исследований, связанные с установлением фактов локализации наследственной информации в нуклеиновых кислотах?

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 б - 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 б - спираль. Конфигурация б-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.

1953 г. считается датой рождения новой биологической науки -- молекулярной биологии. Название “молекулярная биология” предложил английский ученый кристаллограф У. Астбери. В свою очередь она заложила основу возникновения многих самостоятельных научных дисциплин. Так как Ф. Крик и д. Уотсон, кроме открытия структуры ДНК, внесли большой вклад в изучение других разделов молекулярной биологии, развитие этой науки по праву связывают с их именами.

Открытие в 1953 г. структуры и механизма функционирования ДНК в качестве носителя наследственной информации является началом современного этапа в изучении нуклеиновых кислот. Расшифровка строения нуклеиновых кислот, понимание их функции способствовали значительному прогрессу в изучении белкового синтеза.

В 50--х. годах ХХ в. в опытах с модельными системами было доказано, что местом синтеза белка в клетке являются рибосомы. В это же время была открыта транспортная РНК и установлена вся последовательность этапов биосинтеза белковых молекул.

В середине 50--х. годов на основании исследований, проведенных в различных разделах биологии, была сформулирована концепция о том, что гены являются участками молекулы ДНК, в которых наследственная информация закодирована чередованием пар нуклеотидов. Был создан новый раздел генетики - молекулярная генетика.

В середине 60-х годов исследователи Р. Холли, Г. Цахау, А. А. Баев и другие разработали принцип определения последовательности нуклеотидов в РНК, который лег в основу изучения структурно-функциональной организации отдельных РНК.

В 1961 г. Ф. Крик сформулировал основные свойства генетического кода. Он математически и экспериментально доказал существование кодирования генетической информации.

В 1961 г. Ф. Жакоб и Д. Моно установили общий принцип работы оперона -- группы генов, определяющих синтез функционально связанных ферментов. Эта модель явилась мощным стимулом в разработке практического использования знаний о нуклеиновых кислотах, включая и развитие генной инженерии.

В 1965 г. Ф. Крик выдвинул гипотезу неоднозначного соответствия. Развитие этой гипотезы вылилось в разработку общих принципов структуры генетического кода, что позволило объяснить механизм соответствия кодонов аминокислотам. Одновременно М. Ниренберг и его сотрудники экспериментально доказали, что генетический код содержит равнозначные, как бы взаимозаменяемые кодоны. Они обнаружили, что фенилаланиновая транспортная РНК может присоединяться к двум различным кодонам: как к кодону урацил - урацил - урацил, так и к кодону урацил - урацил - цитозин.

В 1956 г. Д. Тжио и А. Леван установили, что хромосомный набор человека состоит из 46 хромосом. Эта дата считается датой рождения современной цитогенетики человека. К тому времени уже успешно культивировались клетки вне организма, применялись особые способы получения пригодных для проведения хромосомного анализа метафазных пластинок, т. е. пластов клеток, находящихся в метафазе.

В это же время ученые начали обстоятельно исследовать хромосомные аномалии с помощью новых методов, основанных на последних достижениях в изучении структуры нуклеиновых кислот. Было установлено, что хромосомные болезни начинают проявляться уже на самой ранней стадии развития зародыша, а некоторые хромосомные нарушения вызывают его гибель. Накопление знаний о нуклеиновых кислотах и последствиях изменений их структуры в 60--70-х годах привело к появлению в разных странах медико-генетических учреждений для оказания медицинской помощи лицам, страдающим наследственными заболеваниями.

Начиная с 70-х годов ХХ в. разработка методов дифференциальной окраски хромосом для клинической цитогенетики позволила выявить каждую хромосому в ядре клетки, дала возможность во многих случаях судить о происхождении аномальных хромосом. Успех клинической цитогенетики продолжает развиваться и в настоящее время: выделены редкие наследственные заболевания, обусловленные нарушением отдельных сегментов хромосом, а число известных наследственных признаков у человека к 1978 г. достигло 2811.

Таким образом, история развития знаний о нуклеиновых кислотах наглядно демонстрирует постепенный переход от феноменологии нуклеиновых кислот к их экспериментальному и теоретическому изучению с последующим выходом в практику.

2.2 ДЕЗОКСОРИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

биофизика естествознание рибонуклеиновая кислота

2.2.1 СОСТАВ И СТРУКТУРА 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 1ОО--200 нм. Молекула ДНК по массе достигает 6*1О^-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.

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.

2.2.2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ

При нагревании ДНК денатурирует, т. е. разрушается. Денатурация двух цепочек ДНК происходит при температуре выше 90 ⁰С, а инактивация (частичное разрушение) начинается про температуре 85 ⁰С.

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.

2.2.3 ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГЕНЕ

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 100 000. 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.

Ген важен еще тем, что он ответственен за проявление действия мутаций. Мутация - это внезапно возникшее изменение генетической информации, обусловленное изменением структуры кодирующей ее молекулы ДНК. Мутации, в зависимости от точки приложения, могут изменить внешние признаки организма, его физические особенности, биохимические и биофизические процессы, нарушить развитие, ослабить жизнеспособность организма или даже привести его к гибели. Чаще всего мутации сопровождаются неблагоприятными последствиями. Генные мутации являются причиной развития некоторых болезней, например серповидноклеточной анемии.

Явление мутации лежит в основе эволюции и селекции живых организмов. В результате репликации ДНК наследственные признаки передаются потомству, но только мутации обеспечивают возникновение какого-либо нового признака. И уже затем этот новый признак передается по наследству.

Для изучения мутаций и их последствий в отношении организма используют вещества, которые искусственно вызывают мутации. Вещества, вызывающие мутации, называются мутагенами. К таким веществам относятся, например, соединения из группы акридинов. Акридины состоят из трех расположенных рядом углеводородных колец, что определяет их окрашивающие и мутирующие свойства. В частности, к акридинам относится вещество акрифлавин.

Существуют и благоприятные мутации. Такие мутации приводят к тому, что замена, например, одной аминокислоты на другую сопровождается улучшением функционирования данного фермента. Такая мутация закрепляется в организме при последующем размножении вида.

2.2.4 ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Генетический код -- это система расположения нуклеотидов в нити ДНК, обусловливающая соответствующую последовательность расположения аминокислот в белке. Генетический код передается по наследству и определяет свойства организмов. Он может меняться в результате мутаций, которые бывают положительными и меняют его в сторону, благоприятную для организма, или, что бывает чаще, в неблагоприятную или даже губительную для конкретного организма.

Работы по расшифровке генетического кода проводились в основном на клетках бактерии кишечной палочки и были повторены на других видах бактерий, а также на организмах животных, включая человека, на растениях.

О коде заговорили всего девятнадцать лет назад; в 1951 году это слово впервые появилось в лексиконе биологов. Правда, произнес его не биолог, а физик.

Но сама идея о том, что в наследственном веществе записаны предписания, каким должен быть будущий организм,-- эта идея в самой общей форме высказывалась, как это ни удивительно, много раньше. Сегодняшние историки генетики с изумлением обнаружили первое упоминание о возможности получить огромное многообразие наследственных признаков различным пространственным расположением атомов в макромолекулах еще в письмах Мишера -- открывателя нуклеиновых кислот. Это конец ХIХ века. В начале нашего века, в 1927 году Николай Константинович Кольцов, представлял механизм передачи генетических свойств, вплотную подошел к идее кода. Наконец, в 1947 году выдающийся немецкий ученый Э. Шредингер, осмысляя жизнь с позиции физики, прямо назвал “структуру хромосомных нитей шифровальным кодом “.

Но, вероятно, биология еще не была достаточно подготовлена, чтобы принять новую, революционную идею. Хотя, казалось бы, все необходимые для этого знания уже были накоплены к 50-м годам.

Тот факт, что ДНК построена из нуклеотидов четырех сортов, а белок -- из аминокислот примерно двадцати сортов и что ДНК каким-то образом направляет синтез белка, был известен биологам. И эти обстоятельства можно было объединить, усмотрев здесь причинную связь; однако сделано этого не было. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик открывают строение ДНК. Их модель вроде бы не накладывает никаких ограничений на последовательность нуклеотидов в одной цепи, но открыта строгая комплементарность оснований, и это может насторожить; можно увидеть здесь некий намек на возможность переноса закодированной информации, но... намек остается непонятым. Честно говоря, это одна из самых странных страниц в истории молекулярной генетики: как умудрились Уотсон и Крик пройти мимо генетического кода? Они сделали все, что бы максимально приблизить его открытие: они впервые установили структуру ДНК и механизм ее воспроизведения, то есть показали, каким образом информация, если предположить ее существование клетке, может передаваться из поколения в поколение; они впервые формулировали, пользуясь словами Ф. Крика, “одно из самых поразительных обобщений биохимии, которое (как это ни удивительно) едва ли даже упоминается в биохимических книгах,-- то, что 20 аминокислот и 4 основания за немногим исключением одинаковы для всей природы. Они стояли так близко к идее кода, что кажется просто непонятным, как они не произнесли это магическое слово, которое, когда его произнесли, вызвало лавинный поток новых идей и работ и совершенно преобразило молекулярную биологию, сразу приблизив ее к таким наукам, как кибернетика и математика.

Вместо этого Д. Уотсон занялся поисками структурно-пространственного соответствия между нуклеиновыми кислотами и аминокислотами; эти поиски в то время ни к чему не привели.

По всей вероятности, как раз в этот период американскому физику и астроному Г. Гамову и приходит в голову идея кода. Во всяком случае из Нобелевского доклада Ф. Крика мы узнаем, что летом 1953 года они с Уотсоном послали Гамову письмо, в котором, отвечая на его просьбу, сообщали список 20 аминокислот. Гамову очень нужна была эта цифра, она сыграла в его логических построениях важнейшую роль. Любопытно, что фигурирующие сейчас во всех работах и книгах 20 магических аминокислот были впервые составлены именно в этом письме.

И вот в 1954 году на суд биологов выносится гипотеза чисто умозрительная, которую, несомненно, можно назвать одной из самых революционных гипотез в биологии.

Она гласит: информация, необходимая для синтеза белка, за кодирована в генах. Порядок чередования 20 аминокислот в белке записан в молекуле ДНК кодом -- чередованием четырех нуклеотидов, или, что одно и то же, четырех азотистых основаниях.

Из четырех оснований можно получить следующее количество групп триплетов: 4 группы из букв одного сорта, 12 групп из букв двух сортов ,4 группы из букв трех сортов. Если предположить, как это сделал Гамов, что каждая группа, объединяющая тройки одинакового состава, но с разным порядком букв внутри тройки, кодирует одну аминокислоту, то тогда получается магическое число групп триплетов - 20. Все сходится

Так выглядел впервые предложенный код наследственности. Он был выведен теоретически на основании отвлеченных соображений, причем скорее математических, чем биологических. И эта отвлеченность тут же дала себя знать. Уже через очень короткое время было показано, что такой код не верен. Две посылки из трех, которые выдвинул Гамов, не выдержали дальнейшей проверки. И все же код Гамова сделал свое дело. Не важно, что он оказался на две трети неверным, ему можно простить все за то, что он был первым.

Следующий довод против перекрывания триплетов был получен при изучении мутаций гемоглобина. Из перекрывания следовало, что каждое основание участвует в кодировании трех соседних аминокислот; а из этого соображения неумолимо следовал вывод, что в случае мутации, затрагивающей даже только один нуклеотид в гене, в молекуле белка обязательно произойдет изменение трех соседних аминокислот. Однако были обнаружены нарушения гемоглобина человека, затрагивающие только одну-единственную аминокислоту.

Наконец, удалось получить и непосредственное экспериментальное доказательство невозможности перекрывания.

Это было сделано в работах двух ученых - Френкель - Конрата из Беркли и Г. Виттмана из Тюбингена. Они работали с вирусом табачной мозаики (ВТМ) - объектом, хорошо изученным именно в этих лабораториях. О ВТМ было известно, что он состоит из РНК, имеющей около 6500 нуклеотидов, и белковой оболочки, состоящей из 2130 молекул. Каждая из молекул состоит из 158 аминокислотных остатков. Их порядок был точно установлен. В 1958 году Г. Шустер и Г. Шрам из Тюбингена обнаружили любопытный факт. Если на РНК ВТМ подействовать азотистой кислотой, может произойти изменение некоторых нуклеотидов. В этом году в этой же лаборатории А. Гирер и К. Мандри установили, что для мутации достаточно изменения только одного нуклеотида из 6500.

На основании этих исследований и была построена работа Г. Виттмана и Г. Френкель - Конрата. Они брали ВТМ, выделяли его РНК и обрабатывали ее азотистой кислотой - так, чтобы изменилось только одно основание. А потом заражали такой РНК растение и исследовали белок, образовавшийся в результате инфекции вируса. И что же? Из 158 аминокислот поврежденной оказывалась всегда только одна.

Так окончательно была похоронена возможность существования перекрывающегося кода. Но тогда - какой он?

В 1957 году остроумную гипотезу выдвигают Ф. Крик, Д. Гриффит и Л. Оргель. Ф. Крик, разумеется, не мог остаться в стороне от того бурного водоворота идей, который закружился вокруг генетического кода. Быть может, поначалу и казалось, что можно обойтись общими соображениями, и поэтому в штурме кода приняли активное участие многие математики и физики. Однако быстро выяснилось, что наскоком твердыню не возьмешь. Нужна планомерная экспериментальная осада. И вот тут, на стыке теории и эксперимента, Ф. Крик смог в полной мере проявить свои выдающиеся способности.

“Основная польза теории,- писал Крик по поводу кода,- состоит в предложении новых форм доказательств и в оттачивании критического анализа. В конечном счете, решающее значение имеет качество экспериментальной работы”.

В 1957 году Ф. Крик споткнулся на том же месте, что к Гамов в 1954-м,-- на магической двадцатке аминокислот. Правда, одну ошибку Гамова Крик учел: его код был неперекрывающимся и триплетным, но по-прежнему невырожденным. И поэтому все усилия Крика и его сотрудников были направлены на то, чтобы показать, каким образом из 64 слов только 20 могут кодировать аминокислоты.

Когда Крик убедился в банкротстве своей, казавшейся такой изящной, гипотезы, он не опустил руки и не стал, закрыв глаза на новые данные, доказывать свою правоту -- он начал все сначала. И через некоторое время предложил новый код -- триплетный, неперекрывающийся, вырожденный, без запятых, с началом отсчета в определенной точке и далее -- по три основания.

Но недостаточно предложить новый код, надо предложить план эксперимента, в котором можно доказать правильность предположений.

Такой план был предложен и осуществлен Ф. Криком, Л. Барнет, С. Бреннером и Р. Уотс-Тобином в Кембритдже.

Все свои опыты они провели на одном определенном гене. Этот ген принадлежит молекуле ДНК фага Т-4, который инфицирует кишечную палочку. Через 20 минут после начала инфекции фаг образует внутри кишечной палочки около 100 своих копий. Бактерия гибнет, а фаги выходят наружу. Преимущество такого опытного материала очевидно: за короткое время можно получить миллиарды фаговых частиц -- многие поколения, и на этих поколениях наблюдать мутации.

Мутации вызывались действием на фаг химического вещества - профлавина. Ученые доказали, что под влиянием профлавина происходит добавление или выпадение, по всей вероятности, одного из оснований.

Основной операцией в опыте было генетическое скрещивание. Бактериальную клетку заражали сразу двумя мутантными фагами. Примерно через 20 минут на месте клетки обнаруживалось около сотни новых фаговых частиц. Некоторые из них были сходны с одним родителем, некоторые - с другим, некоторые несли на себе признаки сразу обоих родителей, а некоторые вообще не имели никаких изменений - были похожи на немутировавшие фаги.

2.3 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВО РИБОНУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Рибонуклеиновые кислоты повсеместно распространены в живой природе. Они находятся во всех микроорганизмах, растительных и животных клетках и являются носителями наследственной информации во многих вирусах. С чем это связано? Почему РНК, как и ДНК присутствует во всех клетках?

Биологическая функция РНК обусловлена тем, что они обеспечивают реализацию в клетке наследственной информации, которая передается с помощью ДНК.

В клетке существует три главных типа РНК: информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). Рибосомная РНК составляет около 80--82 % от содержания суммарной клеточной РНК, тРНК -- 15-16 % и иРНК -- 2-10 %. В некоторых клетках содержание иРНК относительно общей массы РНК составляет тысячные доли процента.

В отличие от ДНК молекулы всех трех типов РНК одноцепочечные, что является одной из важных особенностей РНК. Содержание РНК в клетке в пересчете на массу в 5--10 раз выше, чем ДНК. Каждый из типов РНК характеризуется определенным нуклеотидным составом, что определяет их свойства. Они имеют также различную молекулярную массу.

В бактериальной клетке почти вся РНК расположена в цитоплазме. В клетках высших организмов часть РНК находится в различных органеллах.

РНК входит в состав всех вирусов растений, в частности вируса табачной мозаики, некоторых вирусов бактерий, например бактериофаг кишечной палочки, и некоторых вирусов животных, например, вируса полиомиелита.

2.3.1 СТРУКТУРА РИБОНУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Нить РНК -- это последовательность рибонуклеотидов, соединенных в одну цепь. РНК имеет линейную структуру молекулы с огромным числом входящих в нее составляющих элементов. Рибонуклеотиды соединены так, что образуют неразветвленную нить большой длины.

Углеводный компонент РНК представлен рибозой. Так как рибоза относится к классу пентоз, то с этим было связано и первоначальное название РНК -- пентозонуклеиновые кислоты. Но такое название не закрепилось в терминологии, так как пентозы -- это широкий класс соединений, а рибоза является всего лишь их частным случаем. В РНК же содержится из всего класса пентоз только рибоза.

Азотистыми основаниями РНК являются аденин и гуании из класса пуриновых оснований и цитозин и урацил из класса пиримидиновых оснований.

Отличительной особенностью РНК от ДНК является то, что для нее не характерно устойчивое спиральное строение.

Структура РНК определяется последовательностью рибонуклеотидов. Эта последовательность рибонуклеотидов в цепи называется первичной структурой РНК. Первичная структура строго специфична и уникальна для каждого вида РНК. Первичная структура РНК представляет собой своеобразную запись биологической информации, закодированную в РНК определенным набором рибонуклеотидов, и определяет вторичную структуру, которая проявляется в закручивании нити РНК в спираль. Третичная структура также определяется первичной структурой и представляет собой пространственное расположение всей молекулы РНК. Третичная структура включает вторичную структуру и те фрагменты полинуклеотидной цепи, которые соединяют один участок вторичной структуры с другим. Это взаиморасположение и связь фрагментов РНК.