Химический состав и молекулярное строение хромосом. ДНК - главная молекула наследственности

ГЛАВА 1.

Молекулярные и биохимические основы наследственности

Материальные основы наследственности

Человек, как и все виды живых существ на Земле, на протяжении ряда поколений сохраняет постоянство своих видовых признаков. Это свойство стабильности организма обусловлено наследственностью - способностью родителей передавать свои анатомические и физиологические особенности потомкам.

Мутационные изменения наследственных структур обычно закрепляются, то есть передаются последующим поколениям, что и служит основой возникновения наследственных заболеваний [1].

Материальными носителями наследственной информации у человека являются хромосомы клеточных ядер. Определенные число и строение хромосом составляют хромосомный набор, или кариотип. Ка- риотип соматических клеток человека состоит из 46 хромосом (диплоидный, или двойной набор), составляющих 23 пары. Каждой хромосоме гаплоидного (одинарного) набора яйцеклетки соответствует гомологичная ей (по строению и генетическому содержанию) хромосома гаплоидного набора сперматозоида. Это правило распространяется на 22 (из 23) пары хромосом, называемых аутосомами. 23-я хромосома во всех яйцеклетках одинакова (это так называемая «Х-хромосома»). Сперматозоиды различаются по 23-й хромосоме, половина из них содержит такие же Х-хромосомы, как и яйцеклетка, а половина - Y-хромосомы. При оплодотворении яйцеклетки Х-хромосомой формируется диплоидный набор из 46 хромосом с двумя Х-хромосомами (46,XX) и развивается женский организм. При оплодотворении Y-сперматозоидом формируется кариотип 46,XY. Такая зигота дает начало мужскому организму.

Основная масса наследственной информации у человека хранится в хромосомах ядра и передается с ними дочерним клеткам (ядерная, хромосомная наследственность). Небольшая часть наследственной информации заключается в митохондриях, которые содержатся в цитоплазме и передаются по материнской линии, то есть через яйцеклетки, богатые цитоплазмой (в зрелых сперматозоидах цитоплазмы крайне мало, поэтому передачей митохондрий по отцовской линии обычно пренебрегают).

При делении соматических и половых клеток (вернее, их предшественников) хромосомы распределяются по-разному. Перед делением соматических клеток ДНК хромосом удваивается (в каждой хромосоме получается 4п-набор ДНК), и в результате дочерние клетки получают такой же двойной (2п) набор хромосом, какой был в материнской клетке. Нормальное деление соматических клеток называется митозом. В нем различают несколько фаз. Покоящаяся фаза клетки (интерфаза) характеризуется тем, что хромосомы в ней не видны. В митозе клетки становятся компактными и заметными при окраске ядерными красителями. После целого ряда фаз (профаза, метафаза, анафаза) вслед за расхождением хромосом наступает деление цитоплазмы и оболочки клетки. В дальнейшем ядерные оболочки образуются вокруг обеих групп хромосом, которые расходятся к противоположным полюсам клетки (стадия телофазы). Деление цитоплазмы заканчивается, образуются оболочки двух дочерних клеток, которые переходят в стадию покоя (интерфаза).

Процесс деления половых клеток - мейоз - происходит по-другому. В процессе мейоза количество хромосом в гаметах уменьшается в два раза. Поэтому это деление называют еще редукционным. Мейоз также протекает в 4 стадии (лептотена, зиготена, пахитена, диплоте- на), но его первая фаза (профаза) продолжительнее, чем аналогичная фаза митоза. Эти стадии отражают форму и поведение хромосом. Метафаза, анафаза и телофаза в дальнейшем происходят так же, как и при митозе. В результате первого деления в мужском организме образуются сперматоциты II порядка. При втором делении, которое отличается от митоза, происходят удвоение хромосом и образование сперматид, которые созревают и превращаются в сперматозоиды. Таким образом, из одного спермато- цита I порядка образуются четыре сперматозоида с гаплоидным (уменьшенным вдвое, одинарным) набором хромосом (23 хромосомы). Женские половые клетки образуются несколько иначе. Первое редукционное деление происходит еще в эмбрионе 3-6 мес. В яичнике девочки еще внутриутробно закладывается до 400 ООО овоцитов I порядка на первой стадии мейотического деления (профаза). Хромосомы каждой пары конъюгиру- ют (соединяются) между собой, образуя хиазмы (Х-образной структуры вследствие конъюгации и кроссинговера двух хроматид бивалента в профазе мейоза), и далее их деление прекращается. С наступлением половой зрелости происходит дальнейшее созревание овоцита I порядка - каждый месяц одного, вплоть до наступления менопаузы.

Биологическая функция митоза состоит в поддержании постоянства числа хромосом в ряду поколений. В отличие от митоза, мейотический процесс обеспечивает уменьшение (редукцию) диплоидного числа (46) хромосом наполовину до гаплоидного (23) [2]. Мейоз завершает диф- ференцировку первичных зародышевых клеток в зрелые половые клетки. Мейотический процесс находится под генетическим контролем, будучи хотя и высокоспецифическим, но частным случаем генетически регулируемой клеточной диффе- ренцировки.

Наличие в соматических клетках человека 46 хромосом было установлено шведскими учеными Д.Тийо и А.Леваном в 1956 г.

Таким образом, кариотип человека, или набор хромосом в соматических клетках, состоит из 46 хромосом и представлен 23 гомологичными парами, по две хромосомы в каждой паре (диплоидный набор - 2п). 22 пары хромосом диплоидного набора у мужчин и женщин по форме одинаковы, они называются аутосомами. Хромосомы 23-й пары у мужчин и женщин разные. Они называются половыми хромосомами, или гоносомами. У женщин половые клетки представлены двумя Х-хромо- сомами, а у мужчин - одной Х-хромосомой и одной Y-хромосомой меньшего размера. Таким образом, формула женского кари- отипа 46,XX, а мужского - 46,XY.

При оплодотворении яйцеклетки спер- мием, несущим половую Х-хромосому, образуется зигота, из которой развивается эмбрион и плод женского пола (XX). При оплодотворении яйцеклетки сперми- ем, несущим половую Y-хромосому, развивается эмбрион и плод мужского пола (XY).

Анализ структуры хромосом в медико- генетических целях в основном проводится на стадии метафазы. Он имеет диагностическое и прогностическое значение при хромосомных болезнях и мужском бесплодии. Как правило, хромосомные болезни человека, обусловленные изменением числа хромосом, возникают вследствие нарушенного расхождения хромосом в мейотических делениях.

Химический состав и молекулярное строение хромосом. ДНК - главная молекула наследственности

Кратко рассмотрим химический состав и молекулярное строение хромосом, химические и структурные особенности ДНК.

Хромосомы представляют собой комплекс нуклеиновых кислот с белками, углеводными компонентами, липидами и следами металлов. Известны два класса нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеино- вая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) Среди прочих химических веществ ДНК была выделена в отдельную группу в 1869 г.

Рис 11 Пространственная модель ДПК.

Однако строение и трехмерную структуру ДНК удалось расшифровать английскому ученому Ф.Крику и американскому Дж.Уот- сону только в 1953 г. Ими была построена модель ДНК. Она представляет собой двойную спираль, оба тяжа которой скручены вокруг воображаемой оси (рис. 1.1). Боковыми сторонами этой спирали являются остатки фосфорной кислоты и сахара дезоксирибо- зы, а поперечными перекладинами - 4 азотистых основания: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и тимин) (рис. 1.2,1.3,1.4, 1.5) [3,4].

Расположение их в обеих цепях комплементарно: пуриновое основание - аденин (А) одной цепи соединено с пиримидино- вым - тимином (Т), а гуанин (Г) соединен с цитозином (Ц) (рис. 1.6).

Поэтому количество аденина в ней всегда равно тимину, а гуанина - цитозину: А+Г = Т+Ц.

Остатки молекулы фосфорной кислоты, сахара дезоксирибозы и азотистого основания в совокупности составляют ну- кпеотид.

Рис 1 2 Пуриновыв иуклеотияы: дезоксиаденозии- 5'-фосфат.

Основная масса ДНК находится в ядре в связи с ядерными белками, часть же ее локализуется в митохондриях. Длина молекулы ДНК измеряется в нуклеотидах или парах оснований. В человеческом организме молекула ДНК представлена 3,2 миллиарда пар оснований (нук- леотидов). Физическая длина ДНК составляет примерно два метра, и вызывает удивление громадная суперспирали- зация этой молекулы в ядре каждой клетки человеческого организма. В покоящихся клетках ДНК деспирализова- на, и это состояние является наиболее функциональным. Для процесса самовоспроизводства ДНК необходимо, чтобы ее нити находились в свободном, а не в суперупакованном состоянии. При paботе генов также происходит локальное раскручивание ДНК.

Рис 1 4 Пиридиновые нуклеотиды: дезокснтими- дин-5'-фосфат.

s'

Рис 1 6 Водородные и фосфодиэфириые связи нуклеотидов (А - аденин, Т - тимии, Ц - цитозин, Г - гуанин).

Рис 1 5 Пиридиновые нуклеотиды: дезоксицитидии- 5'-фосфат.

Ген - это отрезок молекулы ДНК. Каждый ген отвечает за производство только одного белка или даже субъединицы белка или, реже, за различные типы рибонуклеиновых кислот (тРНК, рРНК, мРНК).

Сохранение генетической информации в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов обеспечивается за счет особого процесса, предшествующего делению любой клетки человеческого организма, который называется репликацией. Сущность этого процесса состоит в том, что в делящихся клетках ДНК в особый период интерфазы (S) фермент нукле- аза разрывает водородные связи, которые удерживают нуклеотиды обеих цепей. В результате этого процесса цепи на концах ДНК разъединяются на две половины (две одноцепочечные нити) и образуют вилку (вилки) репликации.

При этом в репликационной вилке как бы освобождаются зубцы азотистых оснований. В цитоплазме ядра всегда имеются свободные нуклеотиды. При помощи водородных связей под действием ферментного комплекса ДНК-полимеразы они

1.3. Этапы синтеза белков

Если генетическая информация заключена в хромосомах, то синтез белков осуществляется в цитоплазме, в особых структурах - рибосомах, имеющих диаметр 0,01 нм и состоящих из многих РНК и различных белков. Между последовательностью нуклеотидов и готовой полипептидной цепью, используемой клеткой, происходит ряд сложных и строго упорядоченных процессов (рис. 1.7) [4].

Но именно ДНК определяет специфичность построения белков, синтез которых происходит в цитоплазме клетки на рибосомах. Это достигается тем, что на молекуле ядерной ДНК образуется копия гена в виде короткой РНК (преРНК), которая в процессе ряда модификаций превращается в молекулу информационной, или матричной, рибонукпеновой кислоты (иРНК; тРНК, от англ. messenger, то есть перенокомплементарно подстраиваются к азотистым основаниям этих однонитевых цепей, образуя вначале фрагменты, а затем и две двуспиральные нити ДНК, совершенно похожие на материнскую ДНК. Следовательно, каждая цепь ДНК выступает в роли матрицы для построения комплементарной цепи. Этим обеспечивается постоянство генетической информации в потомстве одной делящейся клетки. Процесс удвоения нитей ДНК в ядре, который называют репликацией, обеспечивает удвоение хромосом при делении клетки.

В клетках человека ДНК связана с белками, образуя дезоксинуклеопротеид. Этот комплекс с входящими в него и другими компонентами (РНК, липиды, полисахариды и др.) обозначается как хроматин. В хромосоме различают генетически активные (эухроматин) и неактивные (гете- рохроматин) участки, которые соответствуют по-разному спирализованным участкам дезоксинуклеопротеида [4].

счик) и выходит из ядра в цитоплазму. Этот тип РНК также состоит из четырех типов нуклеотидов, однако в ней тимин заменен другим нуклеотидом - урацилом (У), а в качестве углеводного компонента выступает - рибоза.

Информационная РНК служит матрицей для синтеза полипептидных цепей белковых молекул в рибосоме цитоплазмы. Образование информационной РНК на молекулах ДНК называется транскрипцией и осуществляется с помощью фермента РНК-полимеразы. Этот фермент разрывает фосфорные связи между нуклеотидами ДНК в области соответствующего гена и делает обе цепи ДНК доступными для транскрипции (считывания информации). Процесс транскрипции довольно сложен и обеспечивается многими другими транскрипционными факто-

Экзон Интрон Экзон ДНК 5'-АТГТТЦ І АЦГЦАТЦТАIТАЦЦАЦ ГГГ-3' З'-ТАЦААГ ІТГЦ ГТАГАТ IАТГ ГТ ГЦЦЦ- 5'

<

Цитоплазма 5' 3'

АУГУУЦ УАЦЦАЦГГГ | Трансляция

Мет-Фен-Тир-Гис-Гли Белок

Рис 17 Схема экзонио-иитроииого строения гона, транскрипции, процессннга и трансляции.

Сокращенное название аминокислот Мет - метионин, Фен - фенилаланин, Тир - тирозин, Гис - гистидин, Гли - глицин Транскрипция и процессинг протекают в клеточном ядре трансляция - в цитоплазме

рами. Другие разновидности основного фермента транскрипции - РНК-полиме- разы - катализируют синтез рибосомаль- ной РНК (рРНК) и транспортной (тРНК). Такой синтез происходит также на ядерной ДНК. Информационная РНК - это од- нонитевая спираль. Ее структура состоит из остатков фосфорной кислоты, рибозы и азотистых оснований аденина, гуанина, цитозина и урацила. Порядок расположения этих оснований в мРНК комплементарен расположению азотистых оснований в ДНК, только вместо тимина, который в ДНК комплементарен аденину, здесь находится урацил.

Ген

Прежде чем мРНК попадет в цитоплазму, уже в ядре происходит ее созревание (процессинг мРНК), которое заключается в разрезании предшественника РНК (первичный транскрипт мРНК) на фрагменты - экзоны и интроны. Затем интро- ны удаляются, а экзоны сшиваются (этот процесс называется сплайсингом). Присоединение одного гена или части гена к другому, а также процесс удаления нитронов и соединение экзонов при синтезе мРНК (сплайсинг генов) - ферментативный процесс с участием нескольких ферментов (рис. 1.7).

Образовавшаяся укороченная иРНК метилирует свои начальные нуклеотиды - образуется кэп-структура («шапочка»). К другому ее концу присоединяется хвост из примерно двухсот остатков аденило- вой кислоты (поли А), и зрелая мРНК в цитоплазме образует комплекс с особыми бвлками, а затем попадает в рибосомы, где на ней и происходит сборка полипептидов из аминокислот. Рибосомы представляют собой нуклеопротеидные структуры, в которые входят три вида рРНК и более 50 рибосомных белков. Порядок расположения аминокислот в полипептиде определяется порядком нуклеотидов в мРНК, то есть образование белка осуществляется по цепи: ДНК->РНК-»белок. Рибосома движется вдоль мРНК, высвобождая ве инициирующий участок, на котором вновь начинается синтез новой полипептидной цепи. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на данном участке не окажется один из стоп-кодонов, который прекращает синтез и способствует отделению полипетидной цепи от рибосомы и от мРНК.

Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами иРНК, которые называются кодонами. Из четырех азотистых оснований возможны 64 комбинации по 3 (4³) триплета, или кодона. Аминокислот, из которых построены белки, всего 20. Поэтому некоторые аминокислоты кодируются не одним ко- доном, а несколькими (до шести). Способ перехода информации, записанной в иРНК, к информации, содержащейся в белках, называется генетическим кодом (табл. 1.1). Он был полностью расшифрован М.Нирен- бергом и Дж.Маттзи в 1964 г.

Кодоны представляют собой триплеты нуклеотидов информационной РНК, то есть символы генетического «сообщения», читаемого аппаратом клетки при синтезе белков.

Несколько триплетов могут кодировать одну и ту же аминокислоту, но код не является двусмысленным, поскольку один и тот же триплет не способен кодировать синтез двух различных аминокислот.

Кодоны, отмеченные звездочкой (табл. 1.1), называются бессмысленными (нонсенс-кодоны), так как они не кодируют синтез аминокислот.

Переход от гена к синтезу белка осуществляется благодаря генетическому коду, в соответствии с которым последовательность из трех нуклеотидов (кодон) в молекуле нуклеиновой кислоты соответствует одной аминокислоте в молекуле белка. Генетический код трехбуквенный, и любой из вариантов 64 кодонов (из четырех нуклеотидов по три кодона - 4³) соответсвует определенной аминокислоте. Из 64 вариантов триплетов три не кодируют никаких аминокислот, а служат сигналом для прекращения синтеза белка (стоп-кодоны). Таким образом, оказалось, что смысловых кодонов 61 (64 минус 3) и, следовательно, одна и та же из 20 аминокислот может кодироваться несколькими вариантами из трех нуклеотидов, то есть определяться открытым генетическим кодом. Генетический код оказался универсальным, одинаковым для всех живых существ - от вирусов до человека.

Таблица 11 Генетический кед
Нуклеотиды	Аминокислота	Нуклеотиды	Аминокислота	Нуклеотиды	Аминокислота
ГЦУ гцц ГЦА ГЦЦ	АЛАНИИ	УУА УУЦ ЦУУ цуц ЦУА ЦУГ	ЛЕЙЦИН	УАУ УАЦ УАА' УАГ*	ТИРОЗИН
ГАУ ГАЦ	АСПАРАГИНОВАЯ КИСЛОТА	АУУ АУЦ	ИЗОЛЕЙЦИН	УГА* УГГ	ТРИПТОФАН
ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ	АРГИНИН	AAA ААГ	ЛИЗИН	УГУ УГЦ	ЦИСТЕИН
ААУ ААЦ	АСПАРАГИН	АУГ	МЕТИОНИН
ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ	ВАЛИН	ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ	ПРОЛИН
ЦАУ ЦАЦ	ГИСТИДИН
ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ	ГЛИЦИН	АГУ АГЦ	СЕРИН
ГАА ГАГ	ГЛУТАМИНОВАЯ КИСЛОТА	АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ	ТРЕОНИН
Примечание Буквами обозначены четыре основания А в состав РНК, старт-кодоны выделены подчеркиванием.	- аденин, Ц - цитозин, Г - гуанин, У- ' - выделены кодоны терминации	урацил, входящие

В результате переноса информации с иРНК на полипептид вновь синтезированная цепь полипептида свертывается в а- или p-спираль, а затем в глобулу (глобулярные белки) или фибриллу (фибриллярные белки) [3]. Эти белки также подвергаются химической модификации, пока не образуются зрелые белки. Первичная структура белка детерминируется своим геном, а вторичная и третичная в конечном счете определяются расположением аминокислот в полипептидной цепи. Порядок их расположения определяется порядком расположения кодонов в иРНК, а порядок расположения нуклеотидов иРНК - порядком расположения нуклеотидов в ДНК. Это основной принцип современной биологии. Существует и обратный поток информации от РНК к ДНК, который реализуется в процессе обратной транскрипции (ДНК<-»РНК-> белок).

Участок ДНК, определяющий синтез РНК, а в последующем и синтез соответствующего полипептида, является структурной единицей наследственности, то есть геном. В диплоидных организмах пара генов определяет тот или иной признак. Называются они аллелями. При идентичности аллелей говорят о го- мозиготности, а при их различии - о гете- розиготности.

Аминокислоты к иРНК на рибосомы доставляются транспортными РНК (тРНК). Для каждой из 20 аминокислот существуют одна или несколько транспортных РНК. Это соответствие зависит от структуры очень важного участка тРНК - антикодона. Антикодон состоит, так же как и кодон, из трех нуклеотидов, последовательность которых и определяет тип тРНК. Таким образом, антикодон узнает, какую именно аминокислоту способна транспортировать определенная тРНК. Комплементарное взаимодействие между кодоном в молекуле мРНК и анти- кодоном в молекуле тРНК (по правилу комплементарности - А-У и Г-Ц) и создает правильность выбора аминокислоты при синтезе белка. Когда нагруженные аминокислотами две транспортные РНК оказываются спаренными с двумя смежными триплетами информационной РНК, их близость и относительное положение обеспечивают безошибочное установление пептидной связи между группой

СООН одной аминокислоты и группой NH_S соседней. Этот процесс, идущий последовательно в определенном направлении вдоль молекулы информационной РНК, начинается с N-концевой аминокислоты и заканчивается установкой на соответствующем месте на последнем триплете информационной РНК С-концевой аминокислоты. По мере установления пептидных связей транспортные РНК освобождаются для переноса новых молекул аминокислот. Когда к синтезируемой полипептидной цепи присоединится последняя аминокислота, цепь отделяется от места синтеза, скручивается и самопроизвольно принимает окончательную пространственную конфигурацию (структуру). С этого момента используется клеткой в той реакции, которую способна катализировать. Белки - это основные молекулы, обеспечивающие жизнедеятельность клетки и целого организма. Структурные белки и ферменты обеспечивают весь сложнейший процесс обмена веществ, структурную организацию скелета клетки, образование межклеточного вещества, транспорт многих веществ в организме и формирование белковых каналов клетки.

Структура ДНК в ядре очень стабильна, благодаря чему достигается стабильность признаков человека.

В результате расшифровки структуры генома оказалось, что у человека число генов не превышает 35 тысяч. Все гены вместе занимают не более 10-15% молекулы ДНК. Некоторые гены, участвующие в контроле фундаментальных клеточных процессов, повторяются в геноме сотни раз и составляют так называемые «муль- тигенные семейства». К ним относятся гены комплекса гистосовместимости (HLA- комплекс), а также гены, кодирующие синтез иммуноглобулинов, и гены рибосо- мальной РНК (рРНК). Однако основная масса генов в молекуле ДНК представлена 1-2 копиями. Гены отделены друг от друга протяженными некодирующими последовательностями. Средний размер гена 10-30 тыс. нуклеотидов. В каждом гене имеются смысловая кодирующая и регуляторная части. Кодирующая часть (экзоны) в большинстве генов человека разделена бессмысленными последовательностями (нитронами), функции которых до настоящего времени остаются малоисследованными. Главная регуляторная система гена - промотор - расположена перед кодирующей частью. Промотор определяет начало и скорость синтеза преРНК. Вторая регуляторная система - энхансер - определяет специфичность работы гена в определенной ткани. Энхансеры могут располагаться на значительном расстоянии от самого гена. Регуляторные элементы, расположенные в конце гена, контролируют процессы перехода от преРНК к мРНК.

При функционировании генов экзоны и интроны переписываются в молекулу преРНК. В процессе ее дальнейшей модификации гомологичные интронам последовательности вырезаются. Суммарно кодирующие области всех генов составляют менее 3% от общей длины ДНК. Кроме истинных генов, существуют так называемые «псевдогены», которые по своей нуклеотидной последовательности похожи на структурные гены, однако, как правило, функционально не активны в силу накопленных разнообразных мутаций.

Кроме ядерного генома, существует относительно недавно открытый (1963 г.) митохондриальный геном, представляющий собой небольшую двунитчатую кольцевую ДНК, гены которой кодируют 13 субъединиц комплексов дыхательной цепи, а также 2 рибосомальные и 22 транспортные РНК. Двунитчатая молекула ми- тохондриальной ДНК состоит из 16 569 пар нуклеотидных оснований, 37 генов и имеет собственный аппарат репликации. Большинство митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК и лишь 2% синтезируются в митохондриальном матриксе под контролем структурных генов. Уникальность митохондриальной ДНК связана с особенностями ее передачи потомству исключительно от матери.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: