Генетическая информация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Абхазский Государственный Университет БГФ

Кафедра экологии морфологии животных

РЕФЕРАТ

на тему: « Генетическая информация»

Выполнила:

студентка I , з/о

Экономического факультета

Габлия Кама

Проверил:

Квеквескири К.Б.

Сухум 2012

Содержание

1.ДНК- основа генетического материала. Главная загадка жизни

2.УСТАНОВЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ДНК

3.ДНК в клетках, мутации и генная инженерия

4.Генетический код

5.Генетическая информация

1.ДНК- основа генетического материала. Главная загадка жизни

Человек получает половину генетического материала, или ДНК, от биологической матери, а вторую половину - от биологического отца. ДНК может быть получена из нескольких капель крови или клеток внутренней стороны щеки. Тестирование ДНК основано на высокоточном анализе генетических данных матери, ребенка и предполагаемого отца.

Тест ДНК на отцовство выполняется путем анализа ПЦР. Анализ ПЦР начинается с процесса увеличения определенных фрагментов ДНК человека для дальнейшего исследования. Эти особые фрагменты (генетические локусы) содержат участки ДНК, известные как короткие тандемные повторы (STR). Количество повторов в каждом генетическом локусе переменно и наследуется от родителей. Каждый человек обычно имеет 2 аллели (альтернативная форма ДНК, которая может иметь различные повторы), одна наследуется от биологической матери, и одна - от биологического отца. Аллели, наблюдаемые с помощью анализа ПЦР, в отчете перечислены как числа, и представляют собой количество обнаруженных повторов. Если одна и та же аллель унаследована от обоих родителей, тогда только одна аллель, или число, указана в отчете.

Как интерпретировать результаты теста ДНК на отцовство

Результат теста на отцовство показывает размер аллелей у матери (если она участвует в тесте), ребенка и предполагаемого отца. Когда тестируются три участника, аллели, которые ребенок получает от биологического отца (называемые обязательными аллелями отца) могут быть определены путем вычитания ДНК, наследуемой от матери. Если у предполагаемого отца нет обязательных аллелей отца в трех и более локусах, он исключается как отец ребенка. Если тестируются только ребенок и предполагаемый отец, и они не имеют общих аллелей в трех и более локусах, предполагаемый отец исключается как отец. В случае, если предполагаемый отец имеет обязательные аллели отца во всех тестируемых локусах, тогда он не исключен как биологический отец ребенка.

Индекс Отцовства

Индекс отцовства (PI) представляет собой генетические шансы того, что предполагаемый отец является биологическим отцом ребенка. PI рассчитывается для каждого локуса ДНК и указывается в отчете. PI для каждого локуса вычисляется как вероятность того, что ребенок унаследовал от предполагаемого отца обязательную аллель отца, по сравнению со случайным, не тестируемым, не имеющим отношения к ребенку мужчиной в популяции. Комбинированный индекс отцовства (CPI) рассчитывается путем умножения индивидуальных индексов отцовства. Например, если CPI равен 100 000, это означает, что вероятность того, что тестируемый предполагаемый отец является биологическим отцом ребенка, в 100 000 раз выше, чем у случайного, не тестируемого, не имеющего отношения к ребенку мужчины в популяции. Если у предполагаемого отца в трех и более локусах несовпадение, PI в несовпадающих локусах равен 0, следовательно, CPI равен 0, что означает исключение отцовства.

Иногда результаты теста показывают несовпадение в одном или двух локусах. Это может означать мутации (объяснение ниже); это также может означать, что близкий биологический родственник предполагаемого отца (брат, отец или сын) может являться биологическим отцом ребенка. В таком случае могут быть произведены дополнительны е расчеты для вычисления вероятности отцовства. Однако лучше всего, чтобы в тесте участвовали все возможные биологические отцы для установления истинного биологического отца.

Мутации

Иногда предполагаемый отец не имеет обязательной аллели отца в одном или двух локусах. Это бывает вследствие мутаций в ДНК. В таких случаях проводится дополнительный анализ (возможно, по большему количеству локусов) для определения, является ли предполагаемый отец биологическим отцом ребенка. Если дополнительные локусы не исключают отцовство, то CPI и вероятность отцовства вычисляются с учетом индекса мутации.

2. Установление структуры ДНК

Методом Фельгена было показано, что ДНК находится не только в ядрах животных клеток, но и широко распространена в ядрах растительных клеток.

В 1936 г. молодой советский ученый, ставший впоследствии академиком, А. Н. Белозерский впервые препаративно выделил ДНК в чистом виде из растительного материала - из ростков конского каштана.

Работами Браше, Дэвидсона и других исследователей в то же время было показано, что РНК всегда встречается в животных клетках. Таким образом, оба вида нуклеиновых кис­лот оказались присущими как животным, так и растительным организмам.

Генетика, сформировавшаяся в виде самостоятельной науки в начале XX в., обобщила к тому времени многие экспериментальные факты. Были вновь открыты и подтверждены законы Менделя. Была создана теория генов - элементарных единиц наследственности. Некоторыми учеными высказывались мнения о том, что наследственные свойства клеток связаны с каким-то ее материальным субстратом. Однако химическая природа генов оставалась загадкой. Большинство генетиков и биохимиков представляли гены в виде белков или комплексов бел­ков с другими химическими соединениями, в частности с ну­клеиновыми кислотами липидами или полисахаридами. Традиционное представление о первичной роли белков в жизненном процессе не позволяло и думать о том, что столь важное вещество, как вещество наследственности, могло быть чем-либо, кроме белка. Магия белка состояла еще и в сложности строения его молекул, их удивительном разнообразии. Известный советский генетик-цитолог Н. К. Кольцов подсчитал, что, варьируя последовательность 20 аминокислот, входящих в состав белковой молекулы, можно создать триллионы непохожих друг на друга белков. «Если бы мы, - писал Кольцов, - захотели напечатать в самой упрощенной форме, как печатаются логарифмические таблицы, этот триллион молекул и предоставили для выполнения этого плана все ныне существующие типографии мира, выпуская в год 50000 томов по 100 печатных листов, то до конца предпринятой работы протекло б столько времени, сколько его прошло с архейского периода до наших дней».

А вот как пишет по этому поводу А. Р. Кизель - один из наиболее эрудированных биохимиков, книга которого «Химия протоплазмы» была переведена на многие европейские языки: «Из только что приведенных воззрений на роли нуклеиновой кислоты... вытекает ее непричастность к строению генов и следует, что гены составлены из какого-то другого материала. Этого материала мы еще достоверно не знаем, несмотря на то, что он в большинстве случаев прямо называется белком».

Первый успех пришел из микробиологии. В 1944 г. были опубликованы результаты опытов Эвери и сотрудников (США) по трансформации бактерий. Явление трансформации было открыто в 20-х годах нашего столетия микробиологом Гриффитсом (Англия). Гриффитс работал с пневмококками (бактериями, вызывающими пневмонию) и пытался понять природу их вирулентности. К тому времени пневмококки удалось разделить на ряд форм. Всего существовало несколько типов пнев­мококков, каждый из которых синтезировал специфический полисахарид клеточной оболочки -- капсулы с характерными серологическими и химическими свойствами. В 1928г. Гриффитс обнаружил, что один штамм пневмококка, культивируемый в особых условиях in vitro, утратил способность к синтезу своего полисахарида и поэтому рос на твердой среде в виде так называемых складчатых колоний (R-формы), отличных от гладких, блестящих колоний клеток, имеющих капсулы (S-формы).

При этом S-форма пневмококков была вирулентной, а R-форма не вызывала заболевания. Если пересевать микробы из капсульных колоний на новый агар, то вырастали только капсульные формы, из бескапсульных колоний вырастали толь­ко бескапсульные формы. Отсюда ясно, что способность иметь капсулу - наследственно закрепленное свойство пневмококков. Открытие Гриффитса состояло в том, что прибавление к бескапсульным формам бактерий экстракта из капсульных форм вызывало трансформацию (превращение): R-формы пневмококков превращались в S-формы. Гриффитсу удалось произвести трансформацию пневмококков и in vivo. Он вводил мышам небольшое количество живых R-форм и большие дозы S-форм, убитых нагреванием. В результате мыши погибали, причем из погибших животных удалось выделить жизнеспособные S-формы пневмококков. Таким образом, стало ясно, что от одного штамма бактерий к другому возможна передача наследственного начала, однако химическая природа его не была обнаружена. Сам Гриффитс ошибочно полагал, что это чистый полисахарид пневмококка, входящий в капсулу S-формы.

Открытие Эвери того факта, что бактериальная ДНК является фундаментальным принципом трансформации бактерий, оказало влияние на биологов и биохимиков послевоенного вре­мени. В числе последних был биохимик Э. Чаргафф. В статье, посвященной столетию со времени открытия нуклеиновых кис­лот, он писал, что ни на одного исследователя выводы Эвери не оказали большего влияния, чем на него. Из темноты перед ним начали вырисовываться контуры грамматики в биологии. Чаргафф считал, что Эвери дал современникам первый текст нового языка, вернее, показал им, где искать этот язык. В лаборатории биохимии Колумбийского университета в Нью-Йорке Чаргафф решил начать поиски нового языка. Он начал с идеи о том, что если различные виды ДНК проявляют различную биологическую активность, то тогда обязательно должны существовать различия и в химическом составе нуклеиновых кислот. По аналогии с идеями и данными химии белка Чаргафф принялся искать разницу в нуклеотидном составе и расположении нуклеотидов в препаратах ДНК, полученных из различных источников. Методы, позволяющие точно дать химическую характеристику ДНК, в то время отсутствовали. Такие методы были развиты Чаргаффом, и они дали удивительные результаты. Оказалось, что старая тетрануклеотидная теория строения нуклеиновых кислот неверна. Существует на самом деле огромное количество различных ДНК, отличающихся по составу и расположению оснований и характеризующих данный вид. При этом обнаружились новые факты, не установленные ранее для других природных полимеров, а именно регулярности в соотношении отдельных оснований в составе всех исследованных ДНК. Хотя разные ДНК и различались значительно по своему нуклеотидному составу, все они подчинялись определенным общим правилам. Поразительным оказалось то, что в каждом образце ДНК число молекул аденина было равно числу молекул тимина, а гуанина - молекул цитозина.

Первое правило Чаргаффа:

А/Т = Г/Ц = 1

(Здесь А, Т, Г и Ц соответствуют молярным процентам соответствующих азотистых оснований, приходящимся на 100 грамм-атомов фосфора ДНК. В ряде образцов ДНК, кроме цитозина, обнаруживается 5-метилцитозин, который при подсчетах включают в цитозин. В ДНК, выделенных из бактериофагов (вирусов) Т2, Т4 и Т6, вместо цитозина имеется 5-гидроксиметилцитозин. Он встречается и в других вирусах).

Второе правило Чаргаффа: А+Г=Ц+Т, т. е. количество пуринов в ДНК равно коли­честву пиримидинов.

Третье правило Чаргаффа: A+Ц=Г+T, т. е. количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с 6-кетогруппами.

Чаргафф не смог полностью объяснить своих правил, основанных на результатах тщательной аналитической работы с раз­личными образцами ДНК. Однако уже в 1953 г. это сделали молодые ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик. Они создали структурную модель молекулы ДНК, которая полностью соответствовала ограничениям в нуклеотидном составе ДНК согласно правилам Чаргаффа.

История этого открытия, ставшего крупнейшим событием в естествознании XX в., очень живо и интересно рассказана одним из авторов новой структурной модели молекулы ДНК в книге «Двойная спираль». Молодые и безвестные ученые встретились впервые в 1951 г. в Кембридже (Англия), куда Уотсон был направлен из Чикаго для усовершенствования в научных исследованиях. Крик работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и занимался изучением пространственной структуры белковых молекул. В лаборатории в основ­ном применялся метод дифракции рентгеновских лучей на кристаллах белков. Уотсон заинтересовался ДНК еще до приезда в Англию. В США Уотсон занимался проблемами генетики и биологии бактериофагов (вирусов бактерий). После опытов Эвери он был уверен, что наследственность фагов заключена в фаговой ДНК. Так как ДНК к этому времени была обнаружена в хромосомах всех клеток, то можно было предположить, что ДНК составляет вещество генов. Именно поэтому, попав в лабораторию, пользующуюся рентгеновскими методами, Уотсон решил заняться структурой ДНК. Интерес Уотсона к структуре ДНК разделил Крик, который также понимал огромную важность расшифровки наследственного материала. Значительное влияние на работу ученых ока­зал метод построения молекулярных моделей веществ с учетом всех валентных углов, межатомных расстояний и отбором наиболее вероятных конфигураций атомных группировок. В 1952 году Лайнусу Полингу, используя этот метод, удалось расшифровать пространственную структуру полипептидной цепи, предложив для нее спиральную конформацию (б -спираль Полинга-Кори). Криком была создана теория дифракции рентгеновских лучей на спиралях, позволяющая опреде­лить, находится исследуемая структура в спиральной конформации или нет. В то вре­мя рентгенограммы ДНК уже существовали. Их получили в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Фрэнклин. При этом оказалось, что ДНК может давать два типа структур в зависимости от содержания воды в препарате. При значительной гидратации ДНК находится в так называемой В-форме, которая переходит в кристаллическую А-форму при потере воды.

По характеру рентгенограммы В-формы ДНК Уотсон и Крик поняли, что исследуемая структура находится в спиральной конформации. Они знали также, что молекула ДНК представляет собой длинную линейную полимерную цепь, состоящую из мономеров-нуклеотидов. Фосфодезоксирибозный костяк этого полимера непрерывен, а сбоку к дезоксирибозным остаткам присоединены азотистые основания. Для построения моделей оставалось решить вопрос, сколько цепей линейного полимера уложено в компактную структуру.

Уотсон предположил сначала, что пары азотистых основании (по одному от каждой цепи) образуются по принципу «подобное взаимодействует с подобным». Он считал, что в двух линейных цепях молекулы ДНК аденин расположен на уровне аденина, гуанин - на уровне гуанина и т. д. Таким образом, две линейные полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК совершенно идентичны и по составу азотистых оснований и по их последовательности. Была сделана попытка построить модель структуры ДНК, исходя из этого предположения. Однако пурины меньше пиримидинов, и на модели биспирали наблюдались то вспучивания, то сжатия.

Оставалось лишь построить точную модель подобной структуры с учетом всех требований рентгенографии и законов стереохимии, что ученые и сделали. Они построили остроумную модель и убедились, что все межатомные расстояния и валентные углы подошли. Таким образом, не оставалось сомнения в том, что, созданная ими структурная модель ДНК соответствует законам стереохимии. Рентгеноструктурные данные подтверж­дали наличие такой струк­туры. Чрезвычайно заманчивые перспективы открывались и в объяснении биологических явле­ний. Так, репликацию ДНК можно было представить в свете новой модели как расхождение цепей родительской ДНК и надстройку на них комплементарных цепей. Результатом явились две новые идентичные молекулы ДНК, в каждой из которых одна цепь была родительской, а другая - вновь синтезированной (так называемый полуконсервативный способ репликации).

3. ДНК в клетках, мутации и генная инженерия

Дезоксирибонуклеимновая кислотам (ДНК) -- один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках -- долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

С химической точки зрения, ДНК -- это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин -- только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.

Полимер ДНК обладает довольно сложной структурой. Нуклеотиды соединены между собой ковалентно в длинные полинуклеотидные цепи. Эти цепи в подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, обладающих одноцепочечными ДНК-геномами), в свою очередь, попарно объединяются при помощи водородных связей в структуру, получившую название двойной спирали [3][7]. Остов каждой из цепей состоит из чередующихся фосфатов и сахаров[11]. Фосфатные группы формируют фосфодиэфирные связи между третьим и пятым атомами углерода соседних молекул дезоксирибозы, в результате взаимодействия между 3?-гидроксильной (3? --ОН) группой одной молекулы дезоксирибозы и 5?-фосфатной группой (5? --РО3) другой. Асимметричные концы цепи ДНК называются 3? (три прим) и 5? (пять прим). Полярность цепи играет важную роль при синтезе ДНК (удлинение цепи возможно только путём присоединения новых нуклеотидов к свободному 3? концу).

Как уже было сказано выше, у подавляющего большинства живых организмов ДНК состоит не из одной, а из двух полинуклеотидных цепей. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали, стабилизированной водородными связями, образующимися между обращёнными друг к другу азотистыми основаниями входящих в неё цепей. В природе эта спираль, чаще всего, правозакрученная. Направления от 3? конца к 5? концу в двух цепях, из которых состоит молекула ДНК, противоположны (цепи «антипараллельны» друг другу).

Ширина двойной спирали составляет от 22 до 24 A (ангстрем), или 2,2 -- 2,4 нанометра, длина каждого нуклеотида 3,3 A (0,33 нанометра)[12]. Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть ребра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной по отношению к продольной оси макромолекулы.

В двойной спирали различают малую (12 A) и большую (22 A) бороздки. Белки, например, факторы транскрипции, которые присоединяются к определённым последовательностям в двухцепочечной ДНК, обычно взаимодействуют с краями оснований в большой бороздке, где те более доступны.

Мутации (от лат. mutatio - изменение), внезапные (скачкообразные) естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала (генома), приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Различают генеративные мутации, возникающие в половых клетках и передающиеся по наследству, и соматические мутации, образующиеся в клетках, не участвующих в репродукции (соматических клетках). Соматические мутации приводят к возникновению генетических мозаик, т.е. к изменению какой-то части организма, развивающейся из мутантной клетки. У растений соматические мутации переносятся потомству в том случае, если растения размножают не семенами, а соматическими частями организма (например, черенками, почками, клубнями).

Изменение генома клетки могут осуществляться тремя путями: в результате изменения числа хромосом, числа и порядка расположения генов или из-за изменения индивидуальных генов. При изменении числа хромосом (так называемые геномные мутации) может происходить утрата или приобретение одной или нескольких хромосом (анеуплоидия), либо меняться число наборов хромосом (полиплоидия). Полиплоидия играет важную роль в эволюции растений и широко используется при их селекции и выведении новых сортов. У животных полиплоидия, как правило, носит летальный характер, т.к. нарушает хромосомный механизм определения пола.

Изменение расположения генов в хромосомах (так называемые хромосомные мутации ) происходит в результате дупликации (повторения) гена, инверсии (переворота одного или несколько генов на 180°), транслокации, или транспозиции (переносе участка хромосомы, соизмеримого по длине с геном, в новое положение в той же или в другой хромосоме), а также делеции - выпадения участка генетического материала (от нескольких нуклеотидных пар до фрагментов, содержащих нескольких генов; частный случай дефишенси - нехватка генов на конце хромосомы). При транслокации ряда генов наблюдается так называемый эффект положения гена - изменение проявления активности гена при перемещении его в др. участок хромосомы. Этим объясняется, например, появление полосковидных глаз у дрозофилы.

Изменение индивидуальных генов (генные мутации ) осуществляется в результате нарушения последовательности нуклеотидных остатков в цепи ДНК данного гена. Мутации, связанные с заменой одной пары нуклеотидных остатков в ДНК, называют точковыми. Среди последних обычно принято различать: 1) простые замены (транзиции), когда происходит замена одного пуринового (пиримидинового) основания в нуклеотиде на другое пуриновое (пиримидиновое) основание (напр., А Г или Т Ц; А, Г, Т и Ц-азотистые основания, соответственно аденин, гуанин, тимин и цитозин); 2) сложные, или перекрестные замены (трансверсии), когда пуриновое основание замещается на пиримидиновое и обратно (напр., А Ц, А Т, Г Ц, Г Т). При простых заменах в двойной спирали ДНК комплементарная пара А и Т замещается на пару Г и Ц, и обратно. При сложных заменах пара Г и Ц замещается на пару Ц и Г или Т и А, а пара А и Т-на пару Т и А или Ц и Г. Кроме замен, в ДНК могут происходить выпадения (делеции) или вставки одного или неск. нуклеотидных остатков. В этом случае возникают т. наз. мутации со сдвигом рамки.

Изменения в последовательности ДНК приводят к изменению нуклеотидной последовательности в матричной РНК (мРНК; синтезируется на ДНК-матрице при транскрипции), что приводит к изменению в последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковой молекулы, определяемой данным геном. Если в результате точковой мутации в полипептидной цепи происходит замена одного остатка аминокислоты на другой, то имеет место т. наз. миссенс-мутации , или мутации с изменением смысла. Если мутации в ДНК приводит к образованию кодона-терминатора (и соотв. кодона-терминатора в мРНК, сигнализирующего об окончании трансляции, т.е. синтеза белковой молекулы на РНК-матрице), то процесс трансляции в данной точке останавливается. Подобная мутации носит назв. нонсенс-мутации или бессмысленной и, как правило, сопровождается полным выключением функции фермента. При миссенс-мутации не всякая замена аминокислотного остатка отражается на функциональной активности белка. Примером серьезных последствий для организма миссенс-мутации может служить наследственная болезнь у человека - серповидноклеточная.

При мутации со сдвигом рамки, начиная с кодона, в котором потерян или приобретен нуклеотид, вся последующая аминокислотная последовательность белка при трансляции полностью меняется, что приводит к полному выключению функции фермента.

Если в результате мутации возникает мутантный фенотип (совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития), отличный от исходного "дикого" (наиболее распространенного в природе), то мутацию называют прямой. В тех случаях, когда благодаря мутации исходный дикий фенотип организма восстанавливается (полностью или частично), то мутацию называют обратной или реверсией. Различают истинные реверсии, когда в результате повторной мутации исходная последовательность цепи ДНК восстанавливается, и супрессорные мутации, которые локализованы в другом месте генома, но тем или иным образом компенсируют дефект, обусловленный исходной мутации. Наибольший интерес в этом классе мутаций представляют так называемые супрессоры нонсенс-мутации. Молекулярная природа подобных обратных мутации состоит в мутации гена, определяющего синтез транспортной РНК (тРНК). В этом случае в тРНК меняется последовательность нуклеотидных остатков в антикодоне [участок молекулы тРНК, состоящий из трех нуклеотидов и узнающий соответствующий ему участок из трех нуклеотидов (кодон) в молекуле мРНК] таким образом, что он приобретает способность взаимодействовать ("узнавать") с кодоном-терминатором (или нонсенс-кодоном). Благодаря этому нонсенс-кодон прочитывается как значащий, т.е. в соответствующем месте полипептидной цепи устанавливается аминокислота, и синтез белка продолжается.

По происхождению мутации можно разделить на две группы: спонтанные и индуцированные. При индуцированном мутагенезе (искусственное получение мутации) мутации возникают в результате воздействия на организм мутагенов. Один из ключевых ферментов, определяющих частоту спонтанных мутации - ДНК-полимераза (катализирует синтез ДНК из нуклеотидов на ДНК-матрице). Частота неправильных включений нуклеотидов при репликации (самовоспроизведении) ДНК с использованием этого фермента из различных источников (микроорганизмы, дрожжи, клетки млекопитающих) достигает довольно высоких значений-10 -4 (отношение числа мутированных нуклеотидных звеньев к общему числу мономерных звеньев ДНК). Однако в клетке существует специальная система коррекции, а также различные системы репарации (восстановление нативной структуры) ДНК, которые понижают эту величину до 10-9,

Значительную роль в спонтанной мутации играют специфические мигрирующие генетические элементы. Частота мутации с их участием составляет у простейших организмов (бактерий, дрожжей) около 10-5 на поколение, а при определенных условиях может значительно увеличиваться. В результате встраивания подобных элементов в гены может нарушаться их активность, изменяться система регуляции и т.п.

Осн. доля всех мутации в природе обусловлена генными мутации Они вызывают разнообразные изменения признаков. Большинство из мутации вредны для организмов (могут вызывать уродство и даже гибель). Очень редко возникают мутации, улучшающие свойства организма. Эти мутации дают основной материал для естественного и искусственного отбора, являясь необходимым условием эволюции в природе и селекции полезных форм растений, животных и микроорганизмов. Частота спонтанных мутаций у каждого вида генетически обусловлена и поддерживается на оптимальном уровне.

Генная инженерия-- совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого организма.

Генная инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя исследования таких биологических наук, как молекулярная биология, цитология, генетика, микробиология. Самым ярким событием, привлёкшим наибольшее внимание и очень важным по своим последствиям, была серия открытий, результатом которых явилось создание методов управления наследственностью живых организмов, причём управления путём проникновения в «святая святых» живой клетки -- в её генетический аппарат.

Учёные, биохимики и молекулярные биологи научились модифицировать гены или создавать совершенно новые, комбинируя гены различных организмов. Они научились также синтезировать гены, причём точно по заданным схемам. Они научились вводить такие искусственные гены в живые организмы и заставили их там работать. Это было начало генетической инженерии.

Основа микробиологической, биосинтетической промышленности -- бактериальная клетка. Необходимые для промышленного производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный из которых -- способность производить, синтезировать, при этом в максимально возможных количествах, определённое соединение -- аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту.

Иногда надо иметь микроорганизм, способный, например, использовать в качестве «пищи» нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или даже вполне пригодный для кормовых добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии веществ, безусловно смертельных для других видов микроорганизмов. Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку -- от обработки сильно действующими ядами до радиоактивного облучения.

Цель этих приёмов одна -- добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат -- получение многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии.

Но их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов. Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в растениях, прежде всего в лекарственных и эфирномасличных. Не могут синтезировать вещества, очень важные для жизнедеятельности животных и человека, ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются в организмах животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов далеко не исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная доля.

Для целей селекции микроорганизмов большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы, способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы, использующие энергию света подобно растениям, хемоавтотрофы, термофильные бактерии, способные жить при температуре, как оказалось недавно, около 110°С, и др.

И всё же ограниченность «природного материала» очевидна. Обойти ограничения пытались и пытаются с помощью культур клеток и тканей растений. Это очень важный и перспективный путь. За последние несколько десятилетий учёные создали методы, благодаря которым отдельные клетки тканей растения или животного можно заставить расти и размножаться отдельно от организма, как клетки бактерий.

Это было важное достижение -- полученные культуры клеток используют для экспериментов и для промышленного получения некоторых веществ, которые с помощью бактериальных культур получить невозможно. Но здесь тоже есть свои трудности, например неспособность животных клеток в культуре делиться бесконечное число раз, как это происходит с бактериями.

Кроме того, получить и выращивать культуры клеток труднее, чем бактериальные культуры. (Есть и свои преимущества, но о них пойдёт речь дальше, так как они оказались кстати уже в новых условиях, когда биотехнология сформировалась и начала своё самостоятельное развитие.) И учёные стремились научиться изменять гены, вводить нужные гены в живой организм, так сказать, «редактировать» книгу природы.

Около десяти лет назад было сделано несколько фундаментальных открытий. Был впёрвые получен изолированный, «химически чистый» ген. Затем были открыты ферменты -- рестриктазы и лигазы. С помощью рестриктаз ген можно разрезать на кусочки -- нуклеотиды. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген.

Почти одновременно успешно завершились многолетние попытки «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. Эта работа была проделана английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом. За неё учёные были удостоены Нобелевской премии по химии (1980). Для Сенгера эта премия была уже второй; он стал первым химиком, получившим награду дважды; первый раз он был награждён за расшифровку строения белка.

Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул белков-ферментов. Значит, для того чтобы заставить клетку синтезировать новые, необычные для неё вещества, надо чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в неё новые гены, чуждые ей. Изменения генов в живых клетках -- это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов -- химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контроли-ровать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку. Для этого, во-первых, необходимо было научиться получать желаемые гены.

Первоначально такие гены пытались просто выделить из подходящих клеток, но потом оказалось, что, зная их строение, проще получать их синтетически, с помощью отработанных биохимических методик. Во-вторых, необходимо было разработать методику введения гена в клетку. Причём нужно было научиться не просто вводить ген в цитоплазму, а встраивать его в собственную молекулу ДНК клетки, так, чтобы новая информация могла быть «прочитана» биосинтетическим аппаратом клетки, вырабатывающим белки, а также воспроизводящим гены при делении клетки. Осуществление этих двух этапов -- получение гена и введение его в клетку -- и составляет, собственно, основу той отрасли биотехнологии, которая получила название индустрии ДНК.

Разработать методику, как первого, так и второго этапов было невероятно трудно. Однако за очень короткий срок биохимики научились синтезировать гены. Сейчас процесс синтеза генов разработан очень хорошо и даже автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых заложены программы синтеза различных структурных генов. За день такой аппарат синтезирует необходимые отрезки ДНК длиной в 100--120 азотистых оснований (содержащих информацию для синтеза участка полипептидной цепи белка в 30-40 аминокислотных остатков).

Основные трудности были связаны с введением готового гена в наследственный аппарат клетки. Собственно, именно из-за этих трудностей ещё 15-20 лет назад затеи с модификацией генетического аппарата считали безнадёжным и даже фантастическим делом.

Необходимо было создать общий и воспроизводимый метод включения кусочков гена в полный генетический аппарат клетки. При этом новый фрагмент гена должен был быть помещён очень точно с соблюдением ряда условий, для того чтобы клетка действительно начала синтезировать новые ферменты. Надо было также обойти сопротивляемость клетки-хозяина: как правило, все изменения генетического аппарата воспринимаются клеткой как «ошибки информации» и исправляются специальными механизмами.

Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает синтезировать «свой» белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку.

4.Генетический код

Генетический код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: - А (A) аденин; - Г (G) гуанин; - Ц (C) цитозин; - Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил (в мРНК).

Реализация генетического кода в клетке происходит в два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Первый из них протекает в ядре; он заключается в синтезе молекул и-РНК на соответствующих участках ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК "переписывается" в нуклеотидную последовательность РНК. Второй этап протекает в цитоплазме, на рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность аминокислот в белке: этот этап протекает при участии транспортной РНК (т-РНК) и соответствующих ферментов.

Свойства генетического кода

1. Триплетность

Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов.

Триплет или кодон - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.

Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20. Код не может быть дуплетным, т.к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4-х нуклеотидов по 2) меньше 20. Код может быть триплетным, т.к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4-х по 3) больше 20.

2. Вырожденность.

Все аминокислоты, за исключением метионина и триптофана, кодируются более чем одним триплетом: 2 аминокислоты по 1 триплету = 2 9 аминокислот по 2 триплета = 18 1 аминокислота 3 триплета = 3 5 аминокислот по 4 триплета = 20 3 аминокислоты по 6 триплетов = 18 Всего 61 триплет кодирует 20 аминокислот.

3. Наличие межгенных знаков препинания.

Ген- это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу tРНК, rРНК или sРНК.

Гены tРНК, rРНК, sРНК белки не кодируют.

В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х терминирующих кодонов, или стоп-сигналов: UAA, UAG, UGA. Они терминируют трансляцию.

Условно к знакам препинания относится и кодон AUG - первый после лидерной последовательности. Он выполняет функцию заглавной буквы. В этой позиции он кодирует формилметионин (у прокариот).

4. Однозначность.

Каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту или является терминатором трансляции.

Исключение составляет кодон AUG. У прокариот в первой позиции (заглавная буква) он кодирует формилметионин, а в любой другой - метионин.

5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания.

Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона.

В 1961г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его компактость.

Суть эксперимента: "+" мутация - вставка одного нуклеотида. "-" мутация - выпадение одного нуклеотида. Одиночная "+" или "-" мутация в начале гена портит весь ген. Двойная "+" или "-" мутация тоже портит весь ген. Тройная "+" или "-" мутация в начале гена портит лишь его часть. Четверная "+" или "-" мутация опять портит весь ген.

Эксперимент доказывает, что код триплетен и внутри гена нет знаков препинания. Эксперимент был проведен на двух рядом расположенных фаговых генах и показал, кроме того, наличие знаков препинания между генами.

наследственность генетический дезоксирибонуклеиновая кислота

5.Генетическая информация

Генетическая информация - программа свойств организма, получаемая от предков и заложенная в наследственных структурах в виде генетического кода.

Предполагается, что становление генетической информации шло по схеме: геохимические процессы - минералообразование - эволюционный катализ (автокатализ).

Возможно, что первые примитивные гены представляли собой микрокристаллические кристаллы глины, причем каждый новый слой глины выстраивается в соответствии с особенностями строения предыдущего, как бы получая от него информацию о строении.

Реализация генетической информации происходит в процессе синтеза белковых молекул с помощью трех РНК: информационной (иРНК), транспортной (тРНК) и рибосомальной (рРНК). Процесс передачи информации идет: - по каналу прямой связи: ДНК - РНК - белок; и - по каналу обратной связи: среда - белок - ДНК.

Живые организмы способны получать, сохранять и передавать информацию. Причем живым организмам присуще стремление полученную информацию о себе и окружающем мире использовать максимально эффективно. Наследственная информация, заложенная в генах и необходимая живому организму для существования, развития и размножения передается от каждого индивида его потомкам. Эта информация определяет направление развития организма, и в процессе взаимодействия его с окружающей средой реакция на ее индивида может искажаться, обеспечивая тем самым эволюцию развития потомков. В процессе эволюции живого организма возникает и запоминается новая информация, в том числе для него возрастает ценность информации.

В ходе реализации наследственной информации в определенных условиях внешней среды формируется фенотип организмов данного биологического вида.

Генетическая информация определяет морфологическое строение, рост, развитие, обмен веществ, психический склад, предрасположенность к заболеваниям и генетические пороки организма.

Многие ученые, справедливо подчеркивая роль информации в становлении и эволюции живого, отмечали это обстоятельство в качестве одного из главных критериев жизни. Так, В.И. Карагодин считает: "Живое есть такая форма существования информации и кодируемых ею структур, которая обеспечивает воспроизведение этой информации в подходящих условиях внешней среды". Связь информации с жизнью отмечает и А.А. Ляпунов: "Жизнь - это высокоупорядоченное состояние вещества, использующее для выработки сохраняющихся реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул". Известный наш астрофизик Н.С. Кардашев также подчеркивает информационную составляющую жизни: "Жизнь возникает благодаря возможности синтеза особого рода молекул, способных запоминать и использовать вначале самую простую информацию об окружающей среде и собственной структуре, которую они используют для самосохранения, для воспроизводства и, что для нас особенно важно, получения еще большего количества информации". На эту способность живых организмов сохранять и передавать информацию обращает внимание в своей книге "Физика бессмертия" эколог Ф. Типлер: "Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором". Более того, он считает, если это так, то система жизнь - информация является вечной, бесконечной и бессмертной.

Раскрытие генетического кода и установление закономерностей молекулярной биологии показали необходимость соединения современной генетики и дарвиновской теории эволюции. Так родилась новая биологическая парадигма - синтетическая теория эволюции (СТЭ), которую можно рассматривать уже как неклассическую биологию.

Основные идеи эволюции Дарвина с его триадой - наследственностью, изменчивостью, естественным отбором - в современном представлении эволюции живого мира дополняются представлениями не просто естественного отбора, а такого отбора, который детерминирован генетически. Началом разработки синтетической или общей эволюции можно считать работы С.С. Четверикова по популяционной генетике, в которых было показано, что отбору подвергаются не отдельные признаки и особи, а генотип всей популяции, но осуществляется он через фенотипические признаки отдельных особей. Это приводит к распространению полезных изменений во всей популяции. Таким образом, механизм эволюции реализуется как через случайные мутации на генетическом уровне, так и через наследование наиболее ценных признаков (ценности информации!), определяющих адаптацию мутационных признаков к окружающей среде, обеспечивая наиболее жизнеспособное потомство.

Сезонные изменения климата, различных природные или техногенные катастрофы с одной стороны, приводят к изменению частоты повторяемости генов в популяциях и, как следствие, к снижению наследственной изменчивости. Этот процесс иногда называют дрейфом генов. А с другой - к изменениям концентрации различных мутаций и уменьшению разнообразия генотипов, содержащихся в популяции, что может привести к изменениям направленности и интенсивности действия отбора.

Размещено на Allbest.ru