Практикум по генетике

Длинный	Маджентовый	Красное	39
Длинный	Маджентовый	Зеленое	21
Во втором скрещивании
Короткий	Красный	Красное	156
Длинный	Маджентовый	Красное	54
Короткий	Маджентовый	Зеленое	1063
Длинный	Маджентовый	Зеленое	180
Короткий	Красный	Зеленое	39
Длинный	Красный	Зеленое	526
Длинный	Красный	Красное	1032
Короткий	Маджентовый	Красное	634

181

РАЗДЕЛ 5

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Генетическая информация всех клеточных организмов закодирована

впоследовательности нуклеотидов дезоксирибонуклеиновой кислоты

(ДНК). Фенотипические признаки любого организма проявляются в разнообразии и количестве белков и РНК, кодируемых ДНК.

Реализация генетической информации, закодированной в молекуле ДНК, начинается переписыванием последовательности нуклеотидов определенного участка ДНК – гена, в последовательность нуклеотидов молекулы РНК. Этот процесс называют транскрипция. Затем, эта молекула РНК или участвует в синтезе определенного белка

(трансляция), или сама выполняет некие физиологические функции.

В 1956 г. Фрэнсис Крик, один из открывателей структуры ДНК,

сформулировал процесс реализации генетической информации, как

«центральную догму» биологии:

транскрипция трансляция

ДНК РНК Белок

репликация обратная транскрипция

Стрелкой показано направление переноса генетической информации.

Стрелка между ДНК и РНК показывает, что все молекулы РНК в клетке произведены на ДНК-матрице. Соответственно синтез всех белков определен молекулами РНК. В некоторых случаях РНК может служить матрицей для синтеза ДНК. Этот процесс называется обратной транскрипцией. Белок не используется для сборки нуклеиновых кислот.

Нет обратной трансляции.

182

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали двухстраничную статью в журнале Nature озаглавленную: «Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновых кислот,

содержащих дезоксирибозу». Эта статья, в которой впервые была описана корректная модель структуры ДНК стала вехой в новой эре молекулярной генетики, сравниваемая некоторыми с работой Дарвина и Менделя.

Уотсон, Крик и Уилкинс получили за эту работы Нобелевскую премию.

Уотсон и Крик построили модель ДНК на основе ряда экспериментальных данных.

Так, на основе техники бумажной хромотографии, которая успешно использовалась для определения химического состава белков, биохимик Эдвин Чаргафф произвел количесвенный анализ нуклеотидов в ДНК. В 1949 году он показал, что соотношения 4 нуклеотидов, из которых состоит ДНК, были не случайны. Количество аденина, во всех молекулах ДНК,

было равно количеству тимина, а количество гуанина эквивалентно количеству цитозина. Это фундаментальное соотношение А=Т и Г=Ц

называется правилом Чаргаффа. Еще одна техника, которая ранее успешно применялась для изучения белков, была использована в изучении структуры ДНК. Это рентгеноструктурный анализ. В начале 50-х годов

M.Wilkins и R.Franklin, работающие в Королевском колледже в Лондоне,

получили высококачественные фотографии дифракции рентгеновских лучей на кристаллах ДНК. Этот анализ позволил определить, что ДНК имеет спиральную структуру и состоит более чем из одной полинуклеотидной цепи.

5.1 Структура молекулы ДНК

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) состоит из двух комплементарных полимерных цепей, закрученных друг вокруг друга в форме правой спирали (рис. 5.1).

183

Рис. 5.1. Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) (J. Watson и др., 1987)

Каждая из двух полимерных цепей молекулы ДНК это полинуклеотид. Нуклеотиды – это сложные химические соединения,

которые состоят из азотистого основания, сахара - дезоксирибозы и фосфатной группы (рис. 5. 2).

Рис. 5.2. Структура нуклеотида (J. Watson и др., 1987)

Нуклеотиды отличаются друг от друга только азотистыми основаниями. Существует 4 азотистых основания, включенных в состав ДНК - это аденин, гуанин, цитозин и тимин. Нуклеотиды с соответствующими азотистыми основаниями называют – дезоксиаденозин

5’-фосфат, дезоксигуанозин 5’-фосфат, дезоксицитидин 5’-фосфат,

184

дезокситимидин 5’-фосфат (рис. 5.3). Два азотистых основания - аденин и гуанин относятся к пуриновым, а тимин и цитозин к пиримидиновым.

дезоксиаденозин 5’ фосфат

дезоксигуанозин 5’ фосфат

дезокситимидин 5’ фосфат дезоксицитидин 5’ фосфат

Рис. 5.3. Нуклеотиды, входящие в состав ДНК (J. Watson и др., 1987)

Сахар (дезоксирибоза) одного нуклеотида соединен через фосфатную группу с сахаром следующего нуклеотида. Эта часть молекулы, называемая сахаро-фосфатным остовом, имеет регулярную структуру. Азотистые основания не участвуют в образовании полинуклеотидной цепочки, поэтому их порядок может меняться от молекулы к молекуле (рис. 5.4).

185

Рис. 5.4. Фосфодиэфирная связь соединяет нуклеотиды в цепи ДНК

Ипуриновые, и пиримидиновые основания это плоские,

относительно водонерастворимые молекулы, которые соединены в стопки перпендикулярные к оси спирали. Две нити соединены вместе водородными связями между азотистыми основаниями. Аденин всегда спарен с тимином, а гуанин с цитозином. Это правило называется комплементарностью. Водородные связи формируются между пуриновым и пиримидиновым азотистым основанием, иначе формирование правильной двойной спирали будет невозможно. Между аденином и тимином формируются две водородные связи, между гуанином и цитозином три. Дополнительная стабилизация двойной спирали обеспечивается межплоскостным взаимодействием между азотистыми основаниями. Расстояние между соседними основаниями составляет 0,34

нм. Кроме того, каждая последующая пара азотистых оснований повернута относительно предыдущей на 360. Таким образом, через десять нуклеотидов спираль делает один оборот. Длина одного витка спирали составляет 34 ангстрема.

186

Две гликозидные связи, которыми соединяются азотистые основания к дезоксирибозе лежат не прямо друг напротив друга. В результате сахарофосфатный остов формирует большую и малую бороздки на поверхности молекулы.

Согласно модели Уотсона-Крика комплементарные цепи должны быть антипараллельны. Только в этом случае, две комплементарные,

полинуклеотидные цепи смогут сформировать двойную спираль.

Рис. 5.5. В двойной спирали ДНК цепи антипараллельны

Антипараллельная структура ДНК означает, что если один конец полинуклеотидной цепочки оканчивается гидроксилом – ОН, связанным с третьим атомом углерода дезоксирибозы (3’ – конец), то вторая полинуклеотидная цепочка должна оканчиваться трифосфатом, связанным с 5 атомом углерода дезоксирибозы (5’ – конец) (рис. 5.5).

Водородные связи и межплоскостные взаимодействия,

стабилизирующие двойную спираль, достаточно слабы, и при относительно небольших воздействиях происходит разделение цепей – денатурация или плавление. Двухцепочечная спиральная ДНК в растворе

187

легко разрушается при нагревании до температур, близких к 100 С.

Денатурация происходит также при увеличении рН раствора до уровня,

при котором разрушаются водородные связи. Молекулы ДНК, содержащие больше пар G-C, имеют более высокую температуру денатурации, т.к.

затраты энергии на разрыв трех водородных связей выше. Денатурация процесс обратимый, восстановление двухцепочечной структуры ДНК может происходить даже при полном расхождении цепей. Процесс воссоединения, называемый ренатурацией, реассоциацией или отжигом происходит при понижении температуры или рН. Способность двух отдельных комплементарных цепей нуклеиновой кислоты воссоединяться с образованием исходной структуры является ключевым моментом для проведения соответствующих опытов in vitro, а также для выделения,

сравнения и идентификации нуклеиновых кислот. Уникальная способность нуклеиновой кислоты образовывать двойную спираль путем ассоциации одиночных комплементарных цепей имеет огромное значение для самых разных областей генетики.

5.2 Структура молекул РНК

Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) это одноцепочечный полинуклеотид. Отличается от ДНК наличием сахара – рибозы и заменой азотистого основания тимин на урацил. РНК не формирует двойные спирали, однако комплементарное спаривание может происходить внутри и между молекулами РНК. Если за какой-то последовательностью следует комплементарная ей последовательность, то полинуклеотид цепи может сложиться и образовать антипараллельную двухцепочечную структуру.

Такую структуру называют шпилькой. Она состоит из спаренных оснований, образующих двуспиральный участок – стебель, часто с петлей из неспаренных оснований. Такие взаимодействия имеют важное

188

биологическое значение. Содержание РНК в клетке в несколько раз

больше, чем ДНК.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое «центральная догма» биологии. Как происходит процесс реализации генетической информации.

2.Опишите строение и свойства молекулы ДНК.

3.Укажите отличия в строении молекул РНК и ДНК

4.Решите задачу:

содержание гуанина в двухцепочечной ДНК составляет 28%.

-определите процентное содержание всех нуклеотидов.

-ответьте на тот же вопрос, но для двухцепочечной РНК.

5.Решите задачу:

пять молекул ДНК имеют следующие температуры плавления: 730С, 690С,

840С, 780С, 820С. Расставьте эти молекулы по мере увеличения содержания

пар G-C.

6. Сделайте вывод о строении следующих нуклеиновых кислот – ДНК или РНК, двухцепочечная или одноцепочечная.

Молекула	A%	G%	T%	C%	U%
a.	33	17	33	17	0
b.	33	33	17	17	0
c.	26	24	0	24	26
d.	21	40	21	18	0
e.	15	40	0	30	15
f.	30	20	15	20	15

189

5.3 Репликация ДНК

Генетическая программа клеточных организмов записана в нуклеотидной последовательности ДНК. Следовательно, для сохранения уникальных свойств живые организмы должны очень точно воспроизводить свою ДНК перед каждым клеточным делением. Например,

бактерия кишечной палочки должна дуплицировать без ошибок полный геном размером 4*106 п.н. Одной из особенностей ДНК является то, что в ней закодирована информация о механизме ее собственного удвоения.

В своей работе 1953 года Уотсон и Крик показали, что репликация

(процесс удвоения молекулы ДНК) может происходить при раскручивании молекулы ДНК так, что каждая нить будет формировать новую двойную спираль, действуя как матрица для синтеза новой нити. Это предположение было сделано на основе правила комплементарности и впоследствии подтвердилось (рис. 5.6).

Такой механизм репликации называют полуконсервативным, т. е. в

каждой образовавшейся молекуле будет одна старая цепь и одна заново синтезированная. Доказали существование полуконсервативного механизма М. Мезельсон и Ф. Сталь в 1958 году, используя тяжелый азот

N15.

Рис. 5.6. При репликации ДНК раскручивается и каждая из цепей служит матрицей для синтеза дочерней (из http://bio.usuhs.mil/biochem4.html).

190