Фрагмент цепи днк.

Уотсон и Крик установили, что молекула ДНК состоит из двух цепей, образующих двойную спираль. Цепи ДНК - комплементарны, т.е. имеется взаимное соответствие между их нуклеотидами, которые образуют уотсон-криковские пары Г-Ц и А-Т. Сами же цепи в двойной спирали антипараллельны. Модель структуры ДНК по Уотсону и Крику.

Репликация днк.

В основе - принцип комплементарности:

В результате создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из которых имеет одну нить, полученную из материнской молекулы, и одну нить, синтезированную по комплементарному принципу.

Синтез белка - в рибосомах клетки. К ним из ядра поступает информационная (или матричная) РНК (иРНК), которая может проникать через порог ядерной мембраны. Что же такое иРНК ? иРНК это:

1. одноцепочечная молекула, комплементарная одной нити ДНК;

2. копия ДНК

3. копия не всей молекулы ДНК, а лишь ее части (по длине). Эта часть соответствует одному или группе рядом лежащих генов

4. молекула, образованная под действием специального фермента - РНК-полимеразы, которая, продвигаясь по нити ДНК, ведет синтез иРНК; данный процесс называется транскрипцией.

Как определяется длина части ДНК, с которой снимается копия в виде иРНК?

В начале этой части и в ее конце находятся специфические последовательности нуклеотидов, которые может "узнавать" РНК-полимераза и таким образом "определять" участок считывания. Весь процесс репликации, осуществляемый разными белками-ферментами, очень согласован, поэтому часто употребляют термин - работа "репликационной машины". Репликация идет с очень высокой точностью. ДНК млекопитающего состоит из 3 млрд. пар нуклеотидов, а в процессе воспроизведения допускается не более 3 ошибок. При этом надо помнить, что синтез идет с большой скоростью - от 50 до 500 нуклеотидов/сек, поэтому в клетке существуют специальные корректирующие механизмы: ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие нуклеотидов исходной матрице.

Генетический код

В клетке генетическая информация передается только от ДНК к белку: ДНК ->иРНК ->белок. Сама же генетическая информация заключена в последовательности нуклеотидов. Это значит, что строго определенная последовательность нуклеотидов соответствует определенной аминокислоте, а определенный порядок расположения и количество аминокислот соответствует, в свою очередь, определенной структуре белка. Таким образом, иРНК несет генетическую информацию в виде генетического кода, который с помощью четырех символов (четыре нуклеотида А, Г, Ц, У) задает любую из 20 аминокислот.

Свойства генетического кода:

1. Код триплетен. Каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3-х нуклеотидов. Эта последовательность называется кодоном.

2. Код вырожден. Каждая аминокислота кодируется более, чем одним кодоном (от 2 до 6 кодонов на одну аминокислоту).

3. Код однозначен. Каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.

4. Генетический код универсален, т.е. един для всех живых организмов планеты.

Таким образом, ген представляет собой чередование "слов из трех букв" - кодонов, образованных из четырехбуквенного алфавита.

Синтез белка

иРНК, пройдя через ядерную мембрану, поступает в цитоплазму к рибосомам, где осуществляется:

1. расшифровка генетической информации,

2. синтез из аминокислот биополимерной макромолекулы белка.

Аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью транспортных РНК (тРНК). В клетке имеется столько аминокислот, сколько типов кодонов, шифрующих аминокислоты.

Генетическая инженерия

"Генетическая или генная инженерия" - создание новых генетических структур и создание организмов с новыми наследственными свойствами. Важное открытие - обнаружение в бактериальных клетках внехромосомных кольцевых молекул ДНК -плазмид. Рестриктазы-ферменты - способны расщеплять ДНК в строго определенном месте с образованием "липких" концов у образуемых фрагментов.

Генная инженерия принципиально отличается от классической селекции:

1. Можно (нельзя) скрещивать неродственные виды;

2. Можно (нельзя) извне управлять процессом рекомбинации в организме (постоянство своего генетического состава организм очень надежно охраняет);

3. Можно (нельзя) предугадать, какое получится потомство.

Если в пробирку поместить самые разные молекулы ДНК с одинаковыми липкими концами, то будет происходить рекомбинация, даже если вся их структура очень различается. Как же получить гетерогенные молекулы ДНК с одинаковыми липкими концами? Для этого используются ферменты-рестриктазы, которые "умеют" разрезать молекулы ДНК так, что у них образуются одинаковые (комплементарные) липкие концы

Введение генных конструкций в бактериальную клетку: плазмиды режут рестриктазами и получают односпиральные концы, комплементарные концам генов, проводят гибридизацию гена и плазмиды в пробирке, а затем рекомбинантную плазмиду вводят в клетку. Плазмиды содержат маркерный ген, например ген, сообщающий клетке устойчивость к определенному антибиотику. В рекомбинантных клетках плазмида участвует в процессах репликации, транскрипции и трансляции нового введенного в клетку гена. Синтезируется продукт этого гена, который в природных клетках никогда ранее не мог образоваться.

Таким образом, in vitro проводится только рекомбинация, а все остальные превращения с плазмидой происходят в клетке так же, как и со своими собственными генами. Итак, основные процедуры в генной инженерии сводятся к следующему:

1. рекомбинация плазмиды и ДНК-гена;

2. введение рекомбинантной плазмиды в клетку;

3. молекулярное клонирование.

Получение человеческого инсулина в промышленных масштабах; разработка интерферона. Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Трансгенные растения

Наконец, несколько слов о перспективах генной инженерии. На основе детального анализа возможностей и реальных достижений генной инженерии составлены научные прогнозы на начало ХХI века. Высказаны, например, надежды, что к 2006 году будут разработаны препараты для лечения такого опасного заболевания, как СПИД, к 2009 году будут определены гены, которые связаны со злокачественными новообразованиями, а к 2010 году будут установлены механизмы возникновения почти всех видов рака. К 2013 году завершится разработка препаратов, предотвращающих рак. Не менее важна сегодня генная диагностика. Обычно молекулярная диагностика проводится по белкам, и, как правило, с помощью других белков-антител. Недостатки такой диагностики - обнаружение болезни на поздней стадии. Но теперь можно диагностировать и по генам (ДНК), и по синтезированным на них РНК еще до того, как в организме начали синтезироваться и накапливаться чужеродные белки. Не имея возможности детально останавливаться на генной терапии, кратко перечислим некоторые проблемы, которыми занимаются ученые:

• доставка генов к клеткам-мишеням организма и нуклеиновых кислот внутрь клеток,

• блокировка или разрушение вредного гена либо блокировка продуцируемой им РНК с помощью антисмысловых ДНК или РНК,

• введение нового активного гена или регулятора активности гена. Лечение наследственных болезней целиком зависит от успехов в этом направлении,

• введение генов или комплексов генов, блокирующих клеточное деление или вызывающих клеточную смерть как средство кардинальной раковой терапии.

По прогнозам, уровень мировых доходов рынка генотерапии к 2000г. достигнет 2.6 млрд. долларов.

Отметим также важность биотехнологии для техники: например, создание биосенсоров на основе биологических макромолекул или конструирование биологически возобновляемых источников энергии.

Клонирование животных.

Напомним, что клонирование - это точное воспроизведение живого объекта в каком-то количестве копий. Эти копии должны обладать идентичной наследственной информацией, т.е. нести идентичный набор генов.

Получение овечки Долли (1997г. в лаборатории проф. Я.Вильмута в Шотландии)

Дальнейшие эксперименты доказали, что в некоторых случаях ядра соматических (не зародышевых) клеток способны обеспечить нормальное развитие млекопитающих (что было показано на мышах). Однако получение клона еще не означает получения точной копии клонированного животного. Например, в случае использования приемных матерей при клонировании млекопитающих невозможно обеспечить одинаковые условия, а значит трудно говорить об абсолютной точности клонирования исходной особи. На сегодняшний день ясно, что структурно-функциональные изменения ядер в ходе индивидуального развития животных достаточно глубоки: одни гены активно работают, другие "молчат". И чем организм более специализирован, чем выше ступенька эволюционной лестницы, на которой он стоит, тем эти изменения глубже и труднее обратимы. Недавно было показано, что в соматических клетках в ходе их развития хромосомы последовательно укорачиваются на своих концах, а в зародышевых клетках специальный белок - теломераза достраивает, восстанавливает их. Поэтому естественен вопрос, способны ли ядра соматических клеток полностью и эквивалентно заменить ядра зародышевых клеток в их функции обеспечения нормального развития зародыша. Наверное, можно говорить, что в принципе техническая задача получения клонированных животных решена, однако насколько точно эти животные копируют прототип - этот вопрос остается открытым. И оправдают ли результаты работ по получению подобных клонов те затраты, которые они потребуют?

Эволюция - процесс длительных, постепенных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к изменениям коренным, качественным, завершающимся возникновением новых материальных систем, структур, форм и видов. Ж.Б. Ламарк - эволюция живых организмов происходит под направляющим влиянием условий окружающей среды.

Учение Дарвина - "Происхождения видов путем естественного отбора". Причины эволюции - борьба за существование и естественный отбор. Инструмент эволюции - изменчивость. При этом на первое место по значению для эволюции видов Дарвин поставил индивидуальную (неопределенную) изменчивость.

Три вида борьбы за существование:

1. Внутривидовая

2. Межвидовая

3. Борьба с неблагоприятными условиями неживой природы.

Цель эволюции по Дарвину - видообразование. Слабым местом в учении Дарвина были представления о наследственности. Дженкин: "Если отбор оставляет в живых те особи, которые лишь незначительно отличаются от других, то уже при следующем скрещивании наступает "поглощение" новых признаков, т.к. партнер по скрещиванию вероятнее всего не имеет этого нового свойства - произойдет растворение признаков в потомстве". В результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями, которые ими не обладают, первые передадут эти признаки потомству в ослабленном виде. Сам Ч.Дарвин вынужден был признать эти доводы весьма убедительными

Современная теория эволюции (СТЭ) отличается от дарвиновской по ряду важнейших пунктов:

1. СТЭ выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция.

2. Это популяция (т.е. совокупность индивидов одного вида, способных скрещиваться между собой), а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций;

3. В качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции;

4. СТЭ шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них основные и неосновные. Сами основные факторы теперь понимаются по-новому и соответственно этому к ведущим факторам относят сейчас мутационные процессы, популяционные волны численности и изоляцию.

Важнейшим из них является мутационный процесс, который исходит из признания того неоспоримого теперь факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций (т.е. изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами).

Основные вехи эволюционного развития организмов:

1. Появление простейших клеток - прокариотов.

2. Появление клеток - эукариотов.

3. Объединение клеток эукариотов с образованием многоклеточных организмов; функциональная дифференциация клеток в организмах.

4. Появление организмов с твердыми скелетами.

5. Возникновение у высших животных развитой нервной системы.

6. Формирование мозга.

7. Формирование разума - высшей формы деятельности мозга.

8. Образование социальной общности людей.

Не имея возможности останавливаться на всех этапах эволюции живого, обсудим вопрос о возникновении человека современного типа.

Где возник человек современного типа?

Генеалогическое древо приматов. 1 - плезиадацис, 2 - дриопитек африканский, 3 - рамапитек, 4 - австралопитек, 5 - австралопитек войсен, 6-7 - Homo erectus, 8 - неандерталец, 9 - Homo sapiens, 10 - современный человек.

1970-х годах в Восточной Африке были открыты остатки необычайно древних человеческих видов Ноmо habilius и Ноmо erectus, костные остатки из Эфиопии, принадлежащие так называемой "Люси" и ее австралопитековым сородичам. Возникновение современных людей, вида Ноmо sapiens.

Мультирегиональная модель, расовые признаки эволюционировали в течение очень длительного периода времени в тех регионах, где они встречаются и сегодня.

Модель "исхода из Африки"

Ядерные гены наследуются как от матери, так и от отца и при половом способе размножения сочетаются случайным образом. Митохондриальные гены передаются только по материнской линии. Рассмотрим родословную одного индивида

Если рассуждать логически, ДНК все людей происходит, в конечном итоге, от одной женщины-предка (правильнее говорить о небольшом числе женщин одной популяции). В этом смысле можно говорить о существовании Евы (но не Адама!). По данным мДНК можно определить материнские линии современных людей вплоть до их общего предка.

Важнейшее допущение при таком анализе - одинаковая скорость эволюции всех мДНК. Было проанализировано генеалогическое древо для 182 различных типов мДНК от 241 индивида. У такого древа оказалось две главные ветви, ведущие в Африку. Примерно 150 тыс. лет назад, вероятно, существовал современный Н. sapiens.

Исход из Африки

Мультирегиональная модель

Несколько слов о современной дискуссии по поводу теории эволюции. Английский биолог Ричард Докинз писал: "В наши дни теория эволюции вызывает примерно столько же сомнений, сколько теория о вращении Земли вокруг Солнца". Однако до сих пор число ниспровергателей этой теории не уменьшается. В частности утверждается, что очевидная целесообразность строения и поведения живых организмов не могла возникнуть вследствие естественного отбора. В книге "Слепой часовщик" Докинз пишет: "...Мы знаем о животных и растениях гораздо больше, чем Дарвин, но и по сей день мне не известен ни один пример, когда сложный орган не мог бы появиться в результате целого ряда последовательных и незначительных модификаций. Я не думаю, что такой пример когда-либо будет обнаружен. Если же это произойдет - и такой орган действительно будет органом высокой степени сложности, а ...понятие "незначительности" будет определено в точных научных терминах - то я перестану верить в дарвинизм". Однако ряд современных ученых утверждает, что на молекулярном уровне уже открыто немало таких неупростимых сложных систем и что по мере развития науки их открывают все больше и больше (М.Бех. "Черный ящик Дарвина: биохимия бросает вызов эволюции"). О теории эволюции можно сказать, что биологические организмы созданы "слепым часовщиком", т.е. бессознательными дарвиновскими процессами мутации и отбора. В этом случае имеется своеобразная лестница со множеством ступенек, ведущая от первого организма до самого сложного: должна существовать непрерывная серия жизнеспособных промежуточных форм. Каждая последующая ступенька, ведущая к большей сложности, должна означать большую приспособляемость (в том, что касается потомства), в то же время как разрыв между ступеньками должен быть достаточно невелик, чтобы его можно было преодолеть посредством случайных мутаций. Бех рассматривает вопрос о формировании зрительных функций глаза: "Когда свет касается сетчатки, фотон вступает во взаимодействие с ретинальной молекулой H-cis, которая в течение одной пикосекунды трансформируется в трансретинальную молекулу. Изменение в форме ретинальной молекулы влечет за собой изменение в форме белка родопсина, с которым эта молекула прочно связана. Метаморфоз протеина изменяет его поведение. Теперь он уже называется метародопсин II и прикрепляется к другому типу белка - трансдуцину. До столкновения с метародопсином II у трансдуцина была маленькая молекула (GDP). При взаимодействии трансдуцина и метародопсина II эта молекула отпадает, а родственная ей, но принципиально отличная молекула (GTP) прикрепляется к родопсину". Бех называет такие (и аналогичные) системы системами неупростимой сложности. Такую систему невозможно выстроить путем последовательного добавления элементов, т.к. полезная функция каждого элемента возникает только тогда, когда он интегрирован в законченную систему. Но в этом случае организмы (и Вселенная) являются продуктом рационального сознания, т.е. построены по замыслу (Бога?). Ключевой аргумент Беха состоит в том, что ни в каких научных журналах не встретишь подробных, подверженных проверке сценариев того, как невероятно сложные биохимические системы могли бы сформироваться под воздействием дарвиновских процессов. Однако концепция "неупростимой сложности" пока остается лишь концепцией, поскольку, сколько бы неупростимой не казалась сложная система, думается, что такая неупростимость представляется лишь на современном этапе развития науки. Но это лишь отражает сложность изучаемых систем: каждое ядро содержит закодированную базу данных, превосходящую по информационному содержанию Большую Советскую Энциклопедию. И эта информация относится к одной клетке, а не к состоящему из клеток организму. Сложность анализа биологических объектов состоит еще и в том, что по конечному результату (строению современной клетки) мы должны восстановить путь и процесс создания (эволюции) живой клетки. На это и направлены усилия ученых.