Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Сжатая ZIP-папка / ЛК_ген_8_

.doc
Скачиваний:
16
Добавлен:
21.03.2015
Размер:
56.83 Кб
Скачать

ЛЕКЦИЯ 3 - ГЕНЕТИКА

ЛЕКЦИЯ 3

МАТЕРИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

КЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ

Все населяющие нашу планету живые организмы состоят из клеток. Из них построены все ткани и органы растений и животных. С клетками связаны важнейшие проявления жизнедеятельности организмов: рост и размножение, поглощение и выделение различных веществ, дыхание и раздражимость и т.д. Клетке присущи все свойства живой материи. Поэтому её называют основной и простейшей единицей структуры и функции живого.

Клетка имеет сложную структурную и биохимическую организацию, способна к самоудвоению и непрерывной настройке на наиболее экономичный режим работы в конкретных условиях окружающей среды.

Нарушает ли принципы клеточной теории факт существования неклеточных форм жизни, например, вирусов, состоящих из тех же молекул нуклеиновых кислот и белков? По-видимому, – нет т.к. вирусные частицы проявляют свои свойства живого только в системе клетки.

Кроме того, в физиологии растений получила широкое обоснование концепция о так называемой надклеточной организации растительного организма, который во многих аспектах гораздо ближе к эволюционно продвинутой экосистеме, объединившей в себе предков ядерных организмов, предков митохондрий и предков хлоропластов. Эта концепция хорошо обоснована экспериментально. Она оказывается очень удобной для объяснения, например, возможностей вегетативного размножения растений, особенностей функций органелл и их взаимодействий.

Тем не менее, в целом современные представления о триедином начале жизни включают следующие компоненты: вещество, энергию и информацию, которая в генетике оказывается синонимом слова «наследственность».

Исследование клеток животных и растений показало их значительное морфологическое разнообразие в зависимости от функций и местоположения в организме. Свободные клетки в большинстве случаев имеют шаровидную или овальную форму, но в структуре тканей они значительно различаются по длине, ширине, часто вытянуты или имеют длинные отростки. Ряд клеток может менять свою форму в зависимости от выполняемых ею в данный момент функций (напр., амёбы, лейкоциты). Размеры часто составляют 20-50 мкм, хотя хорошо известны примеры клеток значительно большего размера, напр., яйцо курицы или страуса, или нервные клетки с отростком, достигающем 1,5 м. Наибольшее общее число клеток организма может составлять до нескольких сотен миллиардов.

ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ КЛЕТОК

Все клетки окружены оболочкой (мембраной) и содержат цитоплазму и ядро (кроме эритроцитов). Цитоплазма и ядро представляют собой единую целостную систему, отдельные части которой не могут достаточно длительное время существовать самостоятельно.

Краткое описание компонентов клетки: цитоплазмы, ядра (занимает 10-20% объёма неделящейся клетки, содержит одно или несколько ядрышек), ЭПС – гладкой и шероховатой (с рибосомами) частей, митохондрий, комплекса Гольджи, пластид (хлоропластов и лейкопластов), лизосом.

ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ

Все клеточные организмы делят на два указанных типа, различающиеся по степени сложности устройства и функций. К прокариотам относят бактерий и сине-зелёных водорослей, к эукариотам – животных, растения, грибы, простейших и все водоросли, за исключением сине-зелёных.

Прокариоты – безъядерные организмы небольших размеров (0,5-3 мкм) содержат так называемый нуклеоид, лишённый ядерной оболочки. Здесь также отсутствуют чётко отграниченные мембранами иные органоиды. Генетическая информация у прокариот содержится в единственной, лишённой белков-гистонов, хромосоме, которая, фактически, представляет собой молекулу чистой ДНК, прикреплённую к мембране. Часто она имеет вид замкнутого кольца. Встречаются прокариоты, а также вирусы, у которых генетическая информация записана в молекулах РНК. Прокариоты не имеют митотического аппарата и ядрышек, отличаются огромным биохимическим разнообразием, быстрым ростом, частой сменой генераций (поколений), что делает их чрезвычайно удобными объектами генетических экспериментов.

Эукариоты – организмы, имеющие чётко отграниченные ядро, ядрышки, митохондрии, хлоропласты и другие органоиды. В них сильно развита сеть внутренних биологических мембран. Часто присутствуют волокнистые структуры – актиновые нити, микротрубочки и промежуточные филаменты, имеющие белковую природу, и образующие, так называемый, цитоскелет, который служит для поддержания пространственного объёма клетки. Эукариоты имеют совершенный митотический аппарат. Хромосомы заключены в ядро и представляют собой нуклеопротеиды, являющиеся комплексом молекул ДНК и различных белков (в основном, гистонов), а также РНК и даже липидов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ КЛЕТОК

Генетический материал в клетке может существовать в виде самостоятельных элементов отдельно от хромосом. Такие дополнительные наследственные элементы получили название эписом. Характерной чертой эписом является их автономность от хромосомы бактерии и способность включаться в неё, становясь одним из её участков (локусов). После интеграции в хромосому удвоение генетического материала эписомы происходит в соответствии с клеточным циклом хозяина.

Эписомы бывают вирусного и невирусного происхождения. Примером невирусной бактериальной эписомы является фактор фертильности (F). При конъюгации бактерий генетический материал от клетки-донора передаётся клетке-реципиенту. Клетки-доноры называют мужскими, они имеют эписому и потому обозначаются F +. Женские клетки лишены эписомы и обозначаются F -.

Примером вирусного происхождения эписомы может служить хромосома фага лямбда после её внедрения в клетку бактерии. Проникнув в клетку бактерии эта хромосома (являющаяся эписомой по отношению к генетическому материалу клетки-хозяина) интегрируется с хромосомой бактерии, превращаясь в профаг. Это явление получило название лизогении. В течение некоторого времени профаг ничем не проявляет себя и размножается при каждом делении бактериальной клетки. При изменении внешних или внутриклеточных условий профаг покидает хромосому бактерии и становится автономной эписомой, которая выходит из-под контроля клетки бактерии, самостоятельно размножается, в результате чего клетка-хозяин лизируется и гибнет. Освобождённые частицы фага заражают другие бактериальные клетки.

Следует отметить, что, покидая хромосому клетки-хозяина эписомы могут уносить с собой частички хромосом хозяина. Внедряясь в хромосомы нового хозяина они таким образом вносят в них новый дополнительный генетический материал.

Отдельный от хромосом генетический материал может быть представлен в виде плазмид. В отличие от эписом плазмиды всегда находятся в клетке в автономном состоянии и не способны интегрироваться с хромосомой клетки-хозяина. Поэтому их иногда называют плазмагенами. Примером может служить плазмида R, определяющая устойчивость клеток бактерий к антибиотикам.

Важно заметить, что явление эписом и плазмид свойственно и клеткам высших организмов. В качестве примеров плазмид обычно приводят хлоропласты и митохондрии.

ХРОМОСОМЫ

Хромосомы являются главными элементами ядра. Впервые их наблюдал немецкий исследователь В.Вальдейер. В поле светового микроскопа хромосомы представляют собой небольшие тельца, хорошо окрашивающиеся основными красителями, за что и получили своё название от греческих слов chroma – цвет и soma – тело.

Для выяснения химического состава хромосом из клеток выделяют так называемый хроматин. Он представляет собой комплекс ДНК, РНК, сопутствующих белков и ферментов. Главными белками хромосом являются гистоны, содержащие большое количество аминокислот аргинина и лизина.

Каждый вид растений и животных характеризуется определённым и постоянным числом хромосом, содержащихся во всех соматических клетках тела организма. Это – характерный видовой признак. Так, в соматических клетках мягкой пшеницы Triticum aestivum содержится 42 хромосомы, у твёрдой – Triticum durum – 28, у однозернянки – Triticum monococcum – 14. Число хромосом не зависит от величины живого организма и уровня его организации. Так, у человека оно равно 46, у лошади – 66, у кошки – 60.

Число хромосом во всех клетках организма – двойное – диплоидное (2n). Оно получается таким от слияния двух половых клеток, в каждой из которых имеется одинарное (n) – гаплоидное число хромосом. В диплоидном наборе хромосомы представлены парами. Любой хромосоме в нём, за исключением половых, соответствует точно такая же по размеру и форме хромосома. Такие соответствующие друг другу (парные) хромосомы называют гомологичными. В гаплоидном наборе все хромосомы отличаются друг от друга и по форме, и по размерам. Размеры и форма хромосом у любого вида характеризуются большим постоянством, что даёт возможность различать их и даже нумеровать.

СТРОЕНИЕ ХРОМОСОМ

Она представляет собой вытянутую «палочку», состоящую из двух половинок (хроматид), разделённых перетяжкой – центромерой (выделяется как светлый участок в метафазе). Всю хромосому рассматривают как нуклеопротеидный комплекс (хромонемы), а хромофибриллой называют молекулу ДНК в хромосоме. Во время митоза хромонемы спирализуются, и хромосомы прикрепляются центромерами к белковым нитям веретена деления. Перетяжка занимает в каждой хромосоме определённое и постоянное положение, поэтому в её структуре выделяют два плеча (они же хроматиды).

У равноплечих (метацентрических) хромосом центромера делит её почти на две равные по длине половинки. У неравноплечих (субметацентрических) цетромера смещена к одному из концов хромосомы. Различают также резконеравноплечие (акроцентрические) хромосомы, у которых центромера расположена очень близко к одному из концов хромосомы. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, которая отделяет основную часть хромосомы от короткого участка на конце, называемого спутником.

В клетках слюнных желёз некоторых насекомых и тканей с интенсивной метаболической или секреторной активностью обнаружены гигантские хромосомы, о существовании которых впервые сообщил итальянец Бальбиани ещё в 1881 г. Гигантские (политенные) хромосомы по форме напоминают широкие тонкие ленты, в которых, после окрашивания, видно чередование тёмных и светлых поперечных полос – дисков, число которых может составлять до нескольких сотен на одной хромосоме. Гигантские хромосомы образуются в результате значительного увеличения числа нитей ДНК, которые не расходятся, а функционируют одновременно. В результате такого увеличения числа нитей ДНК – политении их количество может достигать нескольких тысяч в одной хромосоме. Ввиду таких размеров они служат прекрасным объектом микроскопического исследования генетики организмов.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Ф.Мишер – 1869 г. – впервые выделил ДНК.

20-е гг. ХХ века Гриффитс работал с двумя штаммами пневмококков – бактерий, хорошо различающихся по внешнему виду и инфекционным свойствам. S-штамм образовывал капсульную оболочку и обладал инфекционностью. R-штамм такой оболочки не имел и был безопасен.

Проводили следующие эксперименты:

  1. Группе мышей вводили S-штамм, и через некоторое время все животные погибали;

  2. Другой группе вводили R-штамм, и все животные оставались живы;

  3. Группе мышей вводили R-штамм и убитых бактерий S-штамма. Через некоторое время последняя группа мышей также погибла.

Дополнительные исследования показали, что в последнем случае происходило превращение (трансформация) безвредных бактерий в инфекционную форму. Поэтому напрашивался вывод о том, что инфекционность пневмококков может быть связана с наследственным материалом микроорганизмов.

Дальнейшие исследования проводили с РНК и ДНК-содержащими вирусами (фагами – «пожирателями бактерий»), состоящими из белковой оболочки и молекулы нуклеиновой кислоты. При изучении атаки бактерии фагом с помощью электронного микроскопа было установлено, что фаг прикрепляется к мембране бактерии, и туда проникает только нуклеиновая кислота фага, в то время как оболочка остаётся на поверхности клетки. Через некоторое время бактериальная клетка гибнет.

В экспериментах по трансдукции – переносу генов из одной бактерии в другую также с помощью микроскопа было доказано перемещение генетического материала, что сопровождалось появлением новых признаков у бактериальных клеток, напр., способность синтезировать определённые белки, ферменты, витамины, аминокислот.

Но и эти эксперименты не могли убедить большинство учёных в том, что явления наследственности и изменчивости связаны именно с молекулами ДНК.

Главным препятствием явилось отсутствие правильных сведений о структуре ДНК. Было известно, что она состоит всего из четырёх нуклеотидов, причём пространственная структура выглядела следующим образом:

А --------- Г

Т --------- Ц

Волне понятно, что такая структура не могла рассматриваться в качестве кодирующей множество фенотипических признаков организмов.

Дальнейшие исследования нуклеотидного состава ДНК организмов позволили Э.Чаргаффу показать их значительные различия и сформулировать ряд правил, главными из которых следует признать следующие: А=Т и Г=Ц, а также – сумма (А+Г) никогда не равна сумме (Т+Ц). Было показано, что последний показатель в определённой степени отражает уровень организации живых существ, что стало важным инструментом в уточнении систематики организмов.

Подлинным триумфом оказалась работа Уотсона и Крика о двойной спирали молекул ДНК, которая окончательно убедила большую часть исследователей в том, что носителем генетической информации являются именно эти молекулы, а вовсе не молекулы белков.

ХИМИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ ГЕНОМОВ

Исследование хромосом кишечной палочки Escherichia coli показали, что ДНК хромосомы содержит около 4 млн. пар нуклеотидов. Более крупные хромосомы высших растений и животных содержат ДНК в своём составе примерно в 20 раз больше. Если вытянуть двуспиральную молекулу ДНК одной их хромосом человека в виде тонкой нити, то её длина может составить около 4 см. Однако значительно меньшие размеры клеток и спиральная структура ДНК плюс дополнительная спирализация за счёт молекул белков-гистонов уменьшает её длину примерно в 10 тысяч раз.

Выше уже отмечалось, что размеры генома (число хромосом) эукариот часто не зависят от их физических размеров, но, как правило, составляют менее сотни. Более глубокие исследования показали, что размеры генома (количество пар нуклеотидов во всех хромосомах организма) могут различаться у эукариот в тысячи раз. Так, геном медуз и губок содержит 10 8 пар нуклеотидов, геном кольчатых червей и крабов – 10 9, геном рыб и млекопитающих – 3х109, а геном некоторых земноводных, напр., саламандры – 10 11 пар нуклеотидов.

Логические рассуждения о прямой корреляции между положением организма в иерархии природы и количеством функционирующих генов не находят подтверждений. При этом было показано, что различный объём наследственной информации часто связан с неодинаковым содержанием в хромосомах избыточных нуклеотидных последовательностей. С другой стороны, установлено, что геном саламандры содержит не только большее число повторяющихся последовательностей, но и большее количество уникальных неповторяющихся последовательностей нуклеотидов, чем хромосомы млекопитающих.

Считается, что общее число функционирующих генов у большинства эукариот вряд ли превышает 30 тысяч. При этом установлено, что ряд генов присутствует в геномах в виде одинарных копий, в то время как другие гены могут присутствовать в виде многих (до миллиона) копий в пределах одного генома. Биологическое значение избыточного содержания информации, по-видимому, состоит в следующем. Во-первых, если бы организм содержал только по одной копии каждого гена, то мутации относительно часто могли приводить к появлению проблем в существовании отдельных организмов и популяций в целом. Во-вторых, постепенное накопление мутаций в избыточных генах, в конечном счёте, может приводить к возникновению новых генов, обеспечивающих появление новых аллелей. При этом остаётся всё же неясным для чего нужно увеличивать число отдельных генов не в 2-5-10, а в тысячи и миллионы раз.

СТРОЕНИЕ ДНК, РНК, СИНТЕЗ И РЕГУЛЯЦИЯ БЕЛКА

Нуклеотиды, строение, образование связей в молекуле ДНК (3’5’-связь).

Формы ДНК и их краткая характеристика. А, В, С, D, E, Z.

РНК, виды, строение. Рибосомы, РНП-частицы.

Генетический код.

Этапы синтеза белка в рибосоме.

Регуляция синтеза белка по Жакобу и Моно

Строение генов про- и эукариот (экзоны – информативная часть и интроны – неинформативная, регуляторная составляющая).

5

Соседние файлы в папке Сжатая ZIP-папка