Biologia_-_materialy_dlya_samopodgotovki

Рис. 3. Транскриптон эукариот:

П– промотор, О – оператор, Т – терминатор, Э1, Э2, Э3 – экзоны

СтранскриптонаввидеединоймолекулыРНКсчитываетсявсяинформация, заключенная между промотором и терминатором. Некодирующие участки (интроны) удаляются из РНК в ходе последующего созревания. Кодирующая область начинается со стартового кодона (ТАЦ или АЦЦ),

сэтого участка РНК-полимераза начинает синтезировать РНК. Заканчивается она участком, который называется терминатор. Подходя к нему, РНК-полимераза заканчивает транскрипцию и сходит с ДНК. Терминирующая область представлена одним из кодонов (АТТ, АТЦ, АЦТ), не кодирующим аминокислот. На границе экзонов и интронов располагается последовательностьнуклеотидов, котораяраспознаетсяферментамидлявырезания интронов из первичного транскрипта мРНК (из про-мРНК). Благодаря интронам один ген может кодировать несколько структурно сходных, но функционально разных белков (за счет различной последовательности соединения фрагментов белковой молекулы).

ГИоструктуребелкахранитсяввидепоследовательностинуклеотидов ДНК. ВходесинтезабелкаГИизпоследовательностинуклеотидовпереводится в последовательность аминокислот. Это обеспечивается определенной системой шифровки – генетическим кодом. Генетический код – система записи ГИ о порядке расположения аминокислот в белке с помощью последовательности нуклеотидов мРНК, переписанных с ДНК. Единицей кода является триплет нуклеотидов или кодон. Кодон – это 3 соседних нуклеотида, обеспечивающие постановку специфической аминокислоты в определенное место белковой молекулы. Свойства кода: 1) триплетность – каждая аминокислота кодируется 3-мя соседними нуклеоти-

дами – триплетом; 2) вырожденность (избыточность) – возможное ко-

личество триплетов – 64 и этого с избытком хватает для кодирования 22-х аминокислот. Аминокислоты (кроме метионина и триптофана) шифруют- сянесколькимикодонами(от2-хдо6-и). Частосмысловымиявляютсяпервые 2-а нуклеотида, а 3-ий может быть любым. Триплеты для аминокис- лотметионинаитриптофанаявляютсястартовыми(кодоны-инициаторы); 3) специфичность – каждый кодон шифрует определенную аминокислоту; 4) неперекрываемость – у эукариот каждую последовательно новую аминокислоту кодирует последовательно новый триплет (т. е. один и тот

31

же нуклеотид входит в состав только 1-го кодона и не может одновременно входить в состав предыдущего и последующего кодонов). У прокариот (в редких случаях) код может перекрываться на один или даже два нуклеотида. Перекрываемость кода (у вирусов) обеспечивает компактность упаковки генетического материала, но значительно снижает устойчивость ГИ, изменяяееприлюбоймутации; 5) универсальность– увсехорганизмовединыйгенетическийкод; 6) отсутствиезнаковпрепинания– разделение молекулы мРНК на триплеты происходит только в момент трансляции, т. е. является исключительно функциональным. Если в составе ДНК (а, следовательно, имРНК) изменитсяпоследовательностьнуклеотидов, то трансляцияприэтомнеостановится, нобелокбудетизмененным; 7) наличие кодонов-нонсенс – 3 триплета из 64-х не шифруют аминокислот. При попадании этого триплета в рибосому трансляция заканчивается, терминируется, поэтому эти кодоны называются бессмысленными или терминаторами. Терминаторами трансляции в молекуле мРНК являются УАА, УАГ, УГА, что соответствует триплетам АТТ, АТЦ, АЦТ в молекуле ДНК.

У прокариот синтез белка осуществляется в 2 этапа: 1) транскрипция, продукт этой реакции – мРНК; 2) трансляция, продукт этой реакции– полипептид. Этиэтапымогутпротекатьодновременнот. к. вклетке нет ядерной оболочки. Процесс синтеза белка у эукариот включает 3 этапа: 1) транскрипция ДНК в про-мРНК (продукт: про-мРНК); 2) процессинг – преобразование про-мРНК в зрелую мРНК; 3) трансляция мРНК в полипептид. В некоторых случаях для получения активного белка необходимо его химическое преобразование, которое называется посттрансляционной модификацией. Например, к белковой части гемоглобина присоединяется гем.

Транскрипция – это процесс копирования участка ДНК в виде ком- плементарнойемупро-мРНК(предшественникмРНК), происходитв ядре клетки. ОнначинаетсясприсоединенияферментаРНК-полимеразыкпро- мотору. ДНК на определенном участке раскручивается, происходит разрыв водородных связей между 2-мя цепями нуклеотидов, в результате образуются 2 отдельные полинуклеотидные цепи. К ним по принципу комплементарности из кариолимфы присоединяются свободные нуклеотиды, причем к А-У, Г-Ц, Т-А. Фермент продолжает присоединять нуклеотиды до тех пор, пока не доходит до кодонов-терминаторов. По окончании транскрипции ДНК восстанавливает исходную двуцепочечную структуру, про-мРНК транспортируются в цитоплазму.

Второй этап – процессинг или созревание мРНК. Образовавшаяся на первомэтапепро-мРНКсодержитэкзоныиинтроны, т. к. являетсякопией соструктурногогена. Наэтапетрансляциинеобходимытолькоэкзоны, по-

32

этому в ходе процессинга происходит превращение первичного продукта транскрипции(про-мРНК) взрелуюмРНК. Сутьпроцессингаскладываетсяизвырезанияинтроновисшиванияэкзонов– сплайсинга(сращивание, стыковка). К отдельным нуклеотидам для повышения эффективности связываниясрибосомойприсоединяютсяметиловыегруппы(СН3). 40% генов эукариотподверженыальтернативномусплайсингу, прикоторомэкзоны соединяютсявопределенномпорядке, неменяясьместами. Благодаряэтомумогутобразоватьсяразныебелкисодногогена. Открытиеальтернативногосплайсингаизменилопредставлениеоструктурнойцелостностигена и доказало его прерывистую (мозаичную) структуру.

Третий этап – трансляция – это собственно синтез полипептида из аминокислот, происходит в цитоплазме. Для протекания трансляции требуются: мРНК (служит источником информации об аминокислотной последовательности белка), рибосомы (осуществляют сам процесс сборки), тРНК(обеспечиваютраспознаниекодонаидоставкунужнойаминокислоты), ферменты, аминокислоты, АТФ. Распознание кодона мРНК оказывается возможным благодаря особой структуре тРНК. Эта небольшая моле- кула(73–93 нуклеотида) имеетформутрилистника, состоитиз3-хпетельи акцепторного стебля. На одной из петель располагается антикодон – триплет, комплементарный кодону мРНК. Акцепторный стебель присоединяет аминокислоту, соответствующую паре кодон-антикодон. Между акцепторным стеблем и антикодоновой петлей располагаются две боковые петли, одна из которых служит для прикрепления к рибосоме, другая – для присоединенияферментакодазы. КоличествовидовмолекултРНКвклетке соответствует числу смысловых кодонов.

Трансляция начинается со сборки инициаторного комплекса. Малая субъединица рибосомы присоединяется к концу мРНК, содержащему старт-кодон АУГ. К этому триплету присоединяется инициаторная тРНК (кодон УАЦ), несущая аминокислоту метионин. Формирование комплекса завершается присоединением большой субъединицы рибосомы. В составе транслирующей рибосомы выделяют два функциональных участка. Один из них (А-участок) необходим для присоединения новой тРНК, связаннойсосвоейаминокислотой. Второй, Р-участокудерживаеттРНКсра- стущейполипептиднойцепью. Наращиваниебелковоймолекулыпроисходит в результате многократного повторения трех шагов: 1) присоединения новой тРНК в А-участок рибосомы; 2) замыкания пептидной связи в результате перебрасывания растущей цепи с тРНК в Р-участке на аминокис- лотувА-участке; 3) перемещениярибосомывдольмРНКнаодинтриплет, вследствие чего пустая тРНК покидает рибосому, а тРНК, несущая полипептиднуюцепь, оказываетсявР-участке. Такаяциклическаяработарибо-

33

сомы продолжается до тех пор, пока в А-участке не окажется один из терминирующих триплетов. Он служит сигналом для высвобождения белка и диссоциации рибосомы на субъединицы. Синтезированная полипептидная цепь приобретает правильную пространственную укладку, обеспечивающую функционирование белка.

Всереакциинабазенуклеиновыхкислотназываютсяматричномсинтезом, он существует только в живой природе и состоит в том, что исходная молекуласлужитматрицей(шаблоном) длясинтезановоймолекулы. Виды матричного синтеза: репликация, прямая транскрипция, обратная транскрипция, прямая трансляция. Репликация – синтез молекулы ДНК на матрице ДНК; ГИ с молекулы ДНК переносится на ДНК. В результате получаетсяточнаякопияисходнойДНК. Прямаятранскрипция– синтезмРНК или про-мРНК на матрице ДНК; ГИ переносится с ДНК на РНК. Обратнаятранскрипция– синтезДНКнаматрицеРНК; ГИпереноситсясРНК на ДНК. Обратная транскрипция в природе возможна у РНК-содержащих вирусов. Прямая трансляция – синтез полипептидной цепи (первичной структурыбелковоймолекулы) наматрицемРНК; ГИпереноситсясмРНК набелок. Обратнаятрансляциявозможнатолькотеоретически, вестественных условиях этот процесс не осуществляется.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Понятие наследственности, ее свойства и виды. 2. Геном, виды сегментовДНК, входящиевегосостав. 3. Понятиегена. Структурагенапро- и эукариот. 4. Понятие оперона, его структура у про- и эукариот. 5. Транскрипция, определение, механизм. 6. Суть процессинга. 7. Механизм реализации трансляции. 8. Определение генетического кода, его свойства.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ. ВИДЫ НАСЛЕДОВАНИЯ

Ключевые слова и понятия: наследование; аллельные признаки; доминантный и рецессивный признаки; гомозиготный и гетерозиготный организмы; независимоеисцепленноенаследование; группасцепления; морганида; генетическая карта хромосом; моногенные и полигенные признаки; мультифакториальные заболевания.

Наследственность и наследование не являются синонимами. Наследование в отличие от наследственности отражает характер распределения признаков у потомства, т. е. сколько и каких фенотипических классов потомковобразуется, вкакомцифровомсоотношении. Наследованиеявляет-

34

ся внешним выражением наследственности, т. к. механизмы наследственности определяют законы наследования.

В результате наследования генов у потомков в фенотипе формируются признаки. Признак – это свойство или показатель морфологического, физиологического или биохимического характера, который можно оценить количественно или качественно и который позволяет найти сходство или отличить один организм от другого в пределах семьи, популяции или вида. Формирование признака на молекулярном и организменном уровне – это многоступенчатый процесс реализации ГИ в конкретный признак у конкретной особи в конкретных условиях среды. В основе формированияпризнакалежитмультифакториальныйпринцип: сколькоструктурных и регуляторных генов обеспечивают процесс, какова роль их взаимодействия и влияний среды.

ЗаконынаследованияпризнаковустановленыГ. Менделем. Ониспользовалгибридологическийметодизучениянаследственности(методскрещивания), который дает возможность на уровне особей определить характерраспределенияпризнаковвпотомстве. Характеристикиметода: 1. Проводится подбор родительских пар, отличающихся по 1, 2 и более признакам (соответственно скрещивание называется моно-, ди- и полигибридное). 2. Осуществляется количественный учет наследования каждого признакаврядупоколений. 3. Проводитсяиндивидуальныйанализпотомства от каждого гибрида отдельно.

С помощью гибридологического метода были установлены законы ге-

нетики. Первый закон Менделя – единообразия гибридов: при скрещи-

вании гомозиготных родительских особей, отличающихся по 1-ой, 2-м и болеепарамаллельныхпризнаков, гибридыпервогопоколенияединообразны по фено- и генотипу. У потомков проявляется признак только одного родителя и этот признак будет доминантным. Результат не зависит от направления скрещивания (кто из родителей – мужской или женский организм имеет доминантный признак). При скрещивании гибридов первого поколения между собой во втором поколении появляются особи с доминантными и рецессивными признаками. Такое явление Г. Мендель назвал расщеплением признаков.

ВторойзаконМенделя– расщеплениягибридов: прискрещиванииге-

терозиготныхорганизмовугибридовпроисходитрасщеплениепофено- и погенотипу. Примоногибридномскрещиваниирасщеплениепофенотипув отношении3:1 ипогенотипу– 1:2:1. Длядигибридногоскрещиваниярасщеплениепофенотипу9:3:3:1, погенотипувотношении1:2:2:4:1:2:1:2:1. Для полигибридного скрещивания – по фенотипу: (3:1)n, по генотипу: (1:2:1)n, где n – количество независимо наследующихся генов.

35

Третий закон – независимого комбинирования признаков у потомства или независимого наследования генов: признаки у потомства ком-

бинируется независимо, а гены, их контролирующие наследуются независимо друг от друга, если эти гены расположены в разных парах хромосом.

Причиной независимого распределения признаков является локализациягеновэтихпризнаковвразныхпараххромосом. Проявлениетре-

тьегозаконаможнонаблюдать, начинаясдигибридногоскрещивания(нужно минимум 2 признака, чтобы судить о том, как они наследуются). Именно благодаря независимому наследованию в экспериментах Менделя при дигибридном скрещивании расщепление потомства соответствовало формуле9: 3: 3: 1. Дигибридноескрещивание– свободнаякомбинация2-хмо- ногибридныхиформуларасщепленияпофенотипу– этопроизведениевероятностей 2-х независимых событий (3:1)2.

Независимое наследование – наследование признаков, гены которых находятсявразныхпараххромосом. Например, учеловеканезависимонаследуютсяцветглазицветволос, группакровипосистемеАВ0 (генныйлокус в аутосоме № 9) и системе резус (генный локус в аутосоме № 1). Установить тип наследования (независимое или др.) можно с помощью анализирующегоскрещивания. Анализирующее– этоскрещиваниеособи, имеющей доминантный фенотип, с рецессивной гомозиготой по этой же аллели. В случае независимого наследования у дигетерозигот формируется 4 типа гамет и при дигибридном анализирующем скрещивании образуется 4 фенотипических класса потомков в равном отношении: 2 с родительскими фенотипами и 2 с перекомбинацией признаков родителей. Наблюдается расщепление в отношении 1:1:1:1.

Сцепленное наследование

Противоположным независимому наследованию является сцепленное. Всегеныоднойхромосомынаследуютсясовместно, т. к. вовремяделения клетки к полюсам расходятся целые хромосомы, а не их части. Такое совместное наследование генов, находящихся в одной хромосоме, называет-

ся сцепленным наследованием, а гены – сцепленными. Таким образом,

хромосома – это группа сцепления, число таких групп равно гаплоидному набору хромосом. Явление сцепления генов было установлено Морганомприизучениинаследованияудрозофилпризнаковцветателаидлины

36

крыльев. Совместное наследование этих генов у дрозофил было доказано с помощью анализирующего скрещивания. При полном сцеплении генов у дигетерозигот образуется 2 варианта гамет, а в потомстве 2 класса особей с фенотипами родителей в соотношении 1:1 (50:50%).

При неполном сцеплении генов у дигетерозигот образуются 4 типа гамет в разном соотношении, а в потомстве 4 класса фенотипов. В экспериментах Моргана: по 41,5% особей с родительскими признаками; по 8,5% особей с перекомбинацией признаков.

Следовательно, степень сцепления генов разная. Различают 2 вида генов: тесноислабосцепленные. Тесносцепленныегенынахромосомерасполагаются близко друг к другу. Например, у человека на аутосоме 1 тесно сцеплены гены резус-фактора и эллиптоцитоза; гены катаракты и полидактилии. Слабосцепленные гены на хромосоме располагаются далеко друг от друга. Например, на аутосоме 1 гены резус-фактора и фермента пептидазы. Причиной нарушения сцепления генов является кроссинговерилигенетическаярекомбинация. Кроссинговер– обменидентичными участкамигомологичныххромосом. Вероятностькроссинговератембольше, чем дальше расположены гены на хромосоме. В каждой точке обмена происходит разрыв и воссоединение только 2-х из 4-х несестринских хроматид. Кроссинговер происходит: в пахитену профазы I мейоза; осуществляетсянастадиичетыреххроматид; междунесестринскимихроматидами.

Прикроссинговерепроисходят2 взаимосвязанныхпроцесса: 1) разрыв в идентичных участках несестринских хроматид и 2) воссоединение разорванных концов в новой комбинации генов. Целостность гена при кроссинговере не нарушается. Результатом кроссинговера является рекомбинация – новая комбинация аллелей в хроматидах. Механизм кроссингове-

37

ра: происходит разрыв в идентичных участках гомологичных хромосом; образуются хиазмы (перекресты); обмен идентичными участками несестринских хроматид.

Кроссинговер имеет значение для онтогенеза, т. к. является одной из причин комбинативной изменчивости. Комбинативная изменчивость приводит кобразованию у потомства новых признаков, которых не было у родителей, увеличивает разнообразие генотипов в популяции. У человека в каждом мейозе происходит ≈ 50 кроссинговеров, т. е. ≈ 2 на хромосому. Кроссинговериграетважнуюрольвпроцессеэволюции(дляфилогенеза). Отборвпроцессеэволюцииидетнепогруппамсцепления, апоотдельным генам. В одной группе сцепления могут находиться как «вредные», так и «полезные» гены. Врезультатекроссинговера«вредные» генывыбраковываются, остаются «полезные».

Благодаря кроссинговеру было доказано существование гена как единицы наследственности и сформулирована хромосомная теория наследственности (теория сцепления). Положения теории: 1) основными носителями генов являются хромосомы. Набор генов в каждой негомологичной хромосоме уникален. 2) Гены на хромосомах расположены линейно по ее длине в определенных местах – локусах. 3) Гены одной хромосомы образуют группу сцепления. 4) Хромосомы в соматических клетках парные, поэтому соматическая клетка содержит гены в двойном количестве, т. е. дведозыодногогена. Такиегеныназываютсяаллельными. 5) Аллельные гены занимают идентичные локусы гомологичных хромосом и определяют одинаковые или разные состояния одного признака.

Благодаря кроссинговеру введено понятие генетического картирования – определение положения какого-либо гена по отношению как минимум к 2-м генам. Схема относительного расположения генов и других генетических элементов на одной хромосоме с указанием расстояния между ними называется генетической картой хромосом. Составление генетических карт хромосом основано на определении процента кроссинговера между генами одной группы сцепления. Расстояние между генами выражают в сантиморганидах (сМ). 1 сМ – это расстояние между генами, при котором кроссинговер между ними происходит в 1% гамет (следовательно, образуется в потомстве 1% кроссоверных особей). Если хромосома имеет значительные абсолютные размеры и расстояние между генами составляет более 50 морганид, то кроссинговер будет происходить в 50% гамет, следовательно, гены будут наследоваться независимо друг от друга.

В настоящее время составлены генетические карты для наиболее изученных в генетическом отношении объектов (дрозофилы, мыши, куры). Генетические карты человека составляются, т. к. в его кариотипе большое

38

число групп сцепления. Генетические карты человека используются при диагностике ряда наследственных заболеваний человека.

МОНО- И ПОЛИГЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ

Все классические законы генетики базируются на модели наследования: 1 ген– 1 признак. Этозначит, чтоформированиеодногопризнакаконтролируетсяоднимструктурнымгеном. Такиегеныипризнакиназываются моногенные, менделирующие или качественные, а наследование – моногенным. Моногенные признаки – это дискретные, не сливающиеся, в основном качественные признаки, которые наследуются как целое (есть в фенотипе или нет). Характеристика моногенных признаков: в фенотипе проявляются только в альтернативной форме; фенотипические классы потомков, появившиеся при расщеплении, немногочисленны; среда либо не оказывает влияния на формирование этих признаков, либо изменяет экспрессивность или пенетрантность гена; новые фенотипы у потомства не образуются; наследуются в соответствии с законами Менделя.

ТакиепризнакизафиксированывбазеOMIM (менделевскоенаследованиеучеловека), ихописанооколо5 тыс. Примерынормальныхмоногенныхпризнаков: эритроцитарныеантигеныгруппкровиАВ0, MN, Rh, цвет глаз, способностьразличатьвкусфенилтиокарбамида(ФТК). Примерымо-

ногенных патологических признаков: все моногенные болезни челове-

ка – серповидно-клеточная анемия (СКА), фенилкетонурия (ФКУ), гемофилияАиВ, дальтонизм, болезньМарфана. Механизмыразвитияэтихболезнейхорошоизучены: какправило, одиналлельданногогенаопределяет норму, другойаллель– болезнь. Действиемутантногогенанемаскируется взаимодействиямиегопродуктовспродуктамидругихгеновилифакторамиокружающейсреды. Прогнозируются(расчетгенетическогорискапоявлениябольногоребенкавсемье) моногенныеболезнипозаконамМенделя.

При полигенном наследовании формирование одного признака происходит под контролем нескольких неаллельных генов. Полигенные признаки– этонепрерывные, восновномколичественныепризнаки, представленныевпотомствемножествомфенотипическихклассов. Характеристика: между фенотипами нет четких границ, т. к. имеется множество градаций признака (много переходов); распределение фенотипических классов в популяции соответствует нормальному, т. е. чаще встречаются особи со средним состоянием признака, с минимальным или максимальным – редко; средаоказываетсильноевлияниенаформированиефенотипа; впотомстве может появиться новый фенотип; расщепление в потомстве в цифровом отношении не соответствует 2-ому закону Менделя. Примеры нор-

39

мальныхполигенныхпризнаковчеловека: рост, массатела, степеньпигментациикожи, биохимическиепоказателикрови, артериальноедавление,

возможно, интеллект. Примерыполигенныхпатологическихпризнаков:

предрасположенность к мультифакториальным заболеваниям (МФЗ), таким как ишемическая болезнь сердца, артериальная гипертензия, атеросклероз, язвенная болезнь. МФЗ – болезни, генетическая причина которых установлена, но характер наследования не может быть объяснен законами Менделя. В основе МФЗ лежит взаимодействие большого количества генов и факторов внешней среды. Прогнозирование таких болезней в семье осуществляется эмпирическим, т. е. опытным путем. При этом учитывается, что повторный риск развития болезни не является постоянной величиной, а зависит от числа пораженных родственников, тяжести заболевания у пробанда, его пола и других причин. Наследуется не болезнь, а предрасположенностькнейиопределяетсяонанаследственнымиивнешнесредовыми факторами.

Общей модели наследования полигенных признаков нет, принята гипотеза полимерии. Согласно ей один признак детерминируется несколькими парами неаллельных генов – полигенов. Каждая пара полигенов отвечает за развитие только части признака. Конечный результат в фенотипескладываетсяизсуммированияэффектовполигеновданнойсерии. Степень выраженности признака (экспрессивность) в фенотипе первично зависит от количества доминантных аллелей в генотипе, поэтому возможно непрерывное изменение признака.

Есть типичные качественные (цвет глаз) и типично количественные (массатела) признаки. Развитиенекоторыхпризнаковнаходитсяподдвойным генетическим контролем. Воспроизведение качественной характеристики контролируется моногенно, а степень развития этого признака (количественная характеристика) – полигенно. Например, цвет кожи – сложный признак.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Законы Менделя, их цитологические основы. 2. Значение анализирующего скрещивания в определении типа наследования. 3. Понятие сцепленного наследования, сцепленных генов, группы сцепления. 4. Опыты Моргана, результаты анализирующего скрещивания при сцепленном наследовании. 5. Основные положения хромосомной теории наследственности. 6. Кроссинговер, егоусловия. Значениекроссинговерадляонтогенеза иэволюции. 7. Понятиегенетическихкартхромосом. 8. Понятиеихарактеристикамоногенныхпризнаков. 9. Характеристикаполигенныхпризнаков.

40