Молекулярные основы наследственности

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ   «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Кафедра разведения

сельскохозяйственных животных

ОПД.Ф.0401 Генетика и селекция

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Методические указания

 

Направление подготовки бакалавра

 

020200 Биология

 

 

Уфа – 2011

 

УДК 575

ББК 28.64

М 54

 

 

Утверждены и рекомендованы к изданию методической комиссией

биолого-технологического факультета (протокол № 1 от 30 августа 2011 г)

Рекомендованы к изданию методической комиссией биолого-технологического факультета (протокол № 2 от 23 сентября 2011 г.)

 

Составитель: доцент кафедры разведения с.-х. животных Фазлаева С.Е.

 

Рецензент: Фархутдинов Р.Г.

 

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой разведения с.- х. животных,

к.с.- х. н., доцент Валитов Ф.Р.

Предисловие

 

Генетика для современной биологии является фундаментальной и прикладной наукой, она принадлежит к точным наукам, поэтому для усвоения основ генетики и формирования генетического мышления необходимо выработать умение решать задачи у студентов факультета ветеринарной медицины.

Генетика изучает наследственность и изменчивость не только на уровне видимых признаков и свойств, на и молекулярном уровне самих наследственных структур. В этом она опирается на достижение других биологических наук, таких как биохимия нуклеиновых кислот и молекулярная биология. Известно, что наследственный материал клетки и неклеточных существ (вирусов и плазмид) представлен биологическими полимерами – нуклеиновыми кислотами.

Нуклеиновые кислоты обладают высокой устойчивостью и воспроизводятся в клетке почти с абсолютной степенью точности, что и обеспечивает полное воспроизведение в поколениях наследственно обусловленных признаков и свойств.

Генетика изучает строение и функцию наследственного материала и рассматривает нуклеиновые кислоты как генетическую систему, состоящую из наследственных единиц-генов, контролирующих развитие конкретных признаков клетки и организма.

Генетика устанавливает связь строение того или иного участка нуклеиновой кислоты (гена) с наличием определенного признака или свойств. С помощью молекулярной биологии генетика выясняет процессы действия гена на молекулярном уровне, этапы перехода наследственной информации о характере признака от гена до развития этого признака.

 

 

Молекулярные основы наследственности

 

Носителями наследственной информации в клетке являются нуклеиновые кислоты. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК - дезоксирибонук-леиновая и РНК - рибонуклеиновая кислота, они отличаются химическим строением и биологическими свойствами. Нуклеиновые кислоты представляют собой нерегулярные биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды, состоящие из 3-х компонентов: 1) остатка молекулы фосфорной кислоты, 2) моносахарида - пентозы (рибоза или дезоксирибоза) 3) одного из азотистых оснований (пурина или пиримидина); аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У).

В состав ДНК входит моносахарид дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄, в РНК - рибоза С₅Н₁₀О₅ (с чем и связаны различия в наименовании нуклеиновых кислот).

Азотистые основания А, Г, Ц встречаются в ДНК и РНК, но тимин входит в состав только ДНК, а урацил - только в РНК.

Наследственная информация записывается с помощью генетического кода, она заключена в последовательности нуклеотидов ДНК, одним триплетом или кодоном, кодируется одна аминокислота. Генетический код - это система записи информации в молекулах м-РНК о расположении аминокислот в молекулах белка. Информация «переписывается» в ядре с молекулы ДНК на м-РНК.

Основные биологические функции ДНК заключаются в: 1) хранении, 2) самовоспроизведении (репликации), 3) передаче генетической информации, пу­тем редупликации ДНК дочерними клетками в процессе индивидуального раз­вития и передаче наследственной информации из поколения в поколение через половые клетки, 4) ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи информации из ядра к месту синтеза белка - репликация м-РНК.

Кроме того, ДНК имеет свойства репарации (восстановления структуры ДНК), рекомбинации и мутации, обуславливающие наследственную изменчи­вость организмов. Вот такие чрезвычайно важные и необходимые функции и свойства имеет и выполняет ДНК как для поддержания, так и воспроизведения жизни на Земле.

Биологическая роль РНК связана преимущественно с синтезом белка, т.е. с реализацией наследственной информации. Именно м-РНК является посредни­ком (матрицей) между ДНК, находящей в ядре и строящейся белковой молеку­лой на полирибосоме в цитоплазме, р-РНК входит в состав рибосом, а т-РНК транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка. По структуре различают двухцепочечные РНК, являющиеся хранителями генетической информации у вирусов растений и ряда вирусов животных, и одноцепочечные РНК. В цепочку РНК нуклеотиды соединяются путем образования связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

Большую часть РНК составляет рибосомальная РНК - р-РНК (80%-90%), входящая в состав рибосом, расположенных в цитоплазме, она включает от 3 до 5 тысяч нуклеотидов. Молекулы информационной РНК (м – РНК) могут состоять из 300-3000 нуклеотидов, на ее долю, приходится до 5% всей РНК. Транспортные РНК (т-РНК) включают 75-95 нуклеотидов, их количество составляет 5-10 %. Если рибонуклеиновые кислоты преимущественно располагаются в цитоплазме (от 3 до 7% р-РНК содержится в ядрышке ядра), то ДНК локализована в ядре, в цитоплазме она находится в митохондриях и хлоропластах расте­ний.

Способность ДНК к авторепродукции и способность ее быть носителем наследственной информации обусловлена особенностью ее строения. Молекула ДНК по Д. Уотсону и Ф. Крику (1953 г.) представляет собой двойную спираль, состоящую из двух закрученных антипараллельных полинуклеотидных цепей вокруг собственной оси, соединенных водородными связями азотистых оснований, причем спаривание оснований ДНК высоко специфично, адениловый нуклеотид комплементарен только тимидиловому (2-е водородные связи), а гуаниловый - цитидиловому (3-е водородные связи). Аденин и гуанин относится к пуриновым азотистым основаниям, а тимин и цитозин к пиримидиновым, сумма пуриновых оснований S (А+Г) равняется сумме пиримидиновых S (Т+Ц),

S(А+Г)= S(Т+Ц); А/Т=1; Г/Ц=1 Правило Чаргаффа.

Расстояние между нуклеотидами 0,34 нм, полный виток включает 10 нуклеотидов, его длина 0,34 нм х 10=3,4 нм, диаметр ДНК - 2 нм.

Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. В каждой отдельной цепи нуклеотиды соединяются между собой путем образований фосфодиэфирных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида, так как начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5', а у третьего атома углерода С-3' имеется гидроксильная группа, это позволяет выделить в ней направление 5'-3' концы в данной цепи, в другой цепи ДНК фосфодиэфирная связь устанавливается в обратном направлении 3'→5', поскольку полинуклеотидные цепи антипаралельны 5' конец одной цепи соединяется с 3' концом другой, и наоборот. Отношение специфично для каждого вида организмов (коэффициент специфичности), у кишечной палочки он составляет 0,43; у эукариот 1,50.

В структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру - одну полинуклеотидную цепь, вторичную - две комплементарные друг другу и антипаралельные полинуклеотидные цепи, соединенные водород­ными связями. Такое состояние обеспечивает прочную и относительную ста­бильность ДНК, а также сохранение равного расположения между нуклеотида­ми на всем протяжении молекулы ДНК. И третичная структура - трехмерная спираль ДНК. В одну молекулу ДНК может входить от 10⁶ до 10⁸ и более нуклеотидов, таким образом, ДНК - биополимер с очень большой молекулярной массой.

Как было отмечено выше, одним из свойств наследственного материала является его способность к самокопированию - репликации, или редупликации, что обусловлено особенностями химической организации молекулы ДНК, со­стоящей их двух комплементарных цепей. С помощью фермента геликазы двойная спираль расплетается и при участии фермента ДНК - полимеразы на каждой цепи материальной молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали, такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.

В 1958 г. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии, указав, что перенос информации протекает следующим образом: ДНК— РНК—белок. В 1970 г. была открыта обратная транскриптаза X. Теминым и Д. Балтимором и догма приобрела следующий вид: ДНК РНК – белок.

 

 

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: