БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Основные понятия о молекулярной биохимической генетике»
МИНСК, 2008
Материальными носителями наследственной информации от поколения к поколению у человека, как и у большинства организмов, являются хромосомы клеточных ядер. Каждый биологический вид характеризуется определенным числом и строением хромосом, в совокупности составляющих хромосомный набор, или кариотип. Для соматических клеток человека характерно наличие в кариотипе 46 хромосом, составляющих 23 пары. Кариотипы будущего организма определяются в процессе оплодотворения яйцеклетки, когда при слиянии женского и мужского пронуклеусов их хромосомные наборы (из 23 хромосом) объединяются в один двойной, диплоидный набор, из 46. Каждой хромосоме одинарного, гаплоидного набора яйцеклетки соответствует гомологичная ей хромосома гаплоидного набора сперматозоида. Это правило распространяется на 22 из 23 хромосом – эти хромосомы- аутосомы. 23 хромосома во всех яйцеклетках одинакова – это так называемая Х-хромосома. Сперматозоиды различаются по 23 хромосоме: половина содержит Х- , а половина У- хромосомы. При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом формируется набор из 46 хромосом с двумя Х-хромосомами, такая оплодотворенная яйцеклетка (зигота) дает начало женскому организму. При оплодотворении яйцеклетки У- сперматозоидом формируется кариотип ХУ, такая зигота дает начало мужскому организму.
Независимо от пола, рост и развитие эмбриона, плода, ребенка происходит путем митозов – митотических делений клеток. Имеются две особенности митотического размножения клеток: период между двумя митозами – интерфаза. В ней происходит удвоение хромосом диплоидного набора. На каждой хромосоме строится ее точная копия. На следующем этапе такой набор распределяется строго поровну между двумя дочерними ядрами, каждое из которых получает, таким образом, полный диплоидный набор, в котором представлены копии всех хромосом, полученных как от яйцеклетки, так и от сперматозоида. При делениях созревания половых клеток на смену митозу приходит мейоз. Это сложный процесс. В мейозе происходит 2 генетически важных события – рекомбинации, т.е. перегруппировки хромосомного материала. В результате этого в числе 23 хромосом, оказавшихся в одном дочернем ядре будут различные сочетания хромосом материнского и отцовского происхождения. Число таких сочетаний 223, или около 10 млн. вариантов. Это обеспечивает широчайший спектр наследственной изменчивости и генетическую неповторимость индивидов. Другой процесс генетической рекомбинации – кроссинговер – обмен участками между гомологичными хромосомами. Частота кроссинговера пропорциональна расстоянию между генами на хромосоме, причем каждый ген в норме имеет на ней вполне определенное место – локус.
Количество генов на каждой из хромосом исчисляется многими тысячами. Общее число генов у человека составляет несколько десятков или даже сотен тысяч. Каждый ген представляет собой отрезок гиганского полимера ДНК, основного носителя наследственной информации и главного структурного компонента хромосом.
В 60-х годах 19 века из ядер клеток было выделено вещество, которое было названо нуклеиновой кислотой. В 40 годах 20 столетия установлено, что нуклеиновая кислота ДНК, ответственна за передачу наследственной информации. В 1953 году Уотсон и Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК.
В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот – РНК и ДНК. Биологическая функция нуклеиновых кислот заключается в хранении, репликации, рекомбинации и передаче генетической информации. Именно нуклеиновые кислоты определяют вид, форму, состав живой клетки и ее функции. Все нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения. И РНК и ДНК состоят из мономерных единиц – нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: неорганический фосфат, моносахарид и остаток пурина или пиримидина, называемый азотистым основанием. Эти составные части соединены друг с другом в следующем порядке: фосфат-остаток моносахарида-азотистое основание.
Моносахариды – важная составная часть РНК – рибоза и ДНК – дезоксирибоза. Эти углеводы являются пентозами.
Азотистые основания – это:
-Пурины: аденин и гуанин
-Пиримидины: цитозин, тимин, урацил.
Благодаря своей гетероциклической ароматической природе пурины и пиримидины поглощают электромагнитную энергию в УФ диапазоне, максимум поглощения 260 нм. На этом свойстве основаны лабораторные методы обнаружения и количественного определения нуклеиновых кислот. Фосфатная группа в составе органической биомолекулы обычно входит как компонент.
Структура нуклеозидов: фрагмент нуклеотида, представляющий собой азотистое основание с присоединенным к нему углеводным остатком, называют нуклеозидом.
Для наиболее распространенных рибонуклеозидов приняты тривиальные названия: аденозин, гуанозин, уридин и цитозин. Обычно встречающиеся в ДНК дезоксирибонуклеозиды называются дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин и тимидин.
Нуклеотид представляет собой нуклеозид с присоединенной эфирной связью к углеводному остатку фосфатной группой. В зависимости от строения пентозы все нуклеотиды делят на рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды. В зависимости от числа имеющихся остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты, нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты. Таким образом, семейство аденозина включает АМФ, АДФ и АТФ.
Циклические нуклеотиды.
Аденозин –3-5-цикломонофосфат - широко распространен. Адреналин активирует фермент, ответственный за синтез ц-АМФ, который контролирует активность других ферментов. Известны еще 2 циклических нуклеотида: циклический гуанозинмонофосфат и циклический цитозинмонофосфат.
Именно последовательность азотистых оснований вдоль сахарофосфатной цепи определяет уникальную структуру и функциональную индивидуальность молекул ДНК и РНК. Термин нуклеотидная последовательность и последовательность азотистых оснований взаимозаменяемы.
Наиболее важна следующая функция нуклеозидтрифосфатов: во всех живых клетках АТФ выступает в качестве депо для хранения и переноса химической энергии (разумеется на молекулярном уровне). Процесс превращения АТФ в АДФ или АМФ составляет молекулярную основу переноса химической энергии внутри всех живых клеток.
Нуклеиновые кислоты (структура полинуклеотидов)
Полипептиды состоят из АК, соединенных пептидными связями. Полинуклеотиды состоят из нуклеотидов, соединенных фосфоэфирными связями. И РНК и ДНК можно выделить из клеток, субклеточных фракций. Для разделения смеси РНК и ДНК на компоненты используются различные методы: ионообменная, адсорбционная гель-проникающая и аффинная хроматография, а также электрофорез в полиакриламидном геле.
Каждая РНК и ДНК имеет определенный нуклеотидный состав, но он не является уникальной характеристикой структуры. Уникальность определяется последовательностью оснований.
Для нуклеотидного состава ДНК известны важные общие закономерности, известные как правила Чаргаффа:
1.Число пуриновых оснований (А+G), равно числу пиримидиновых оснований (Т+С). т.е. соотношение пуринов и пиримидинов равно единице).
2.Число остатков аденина равно числу остатков тимина, т.е. отношение аденина к тимину равно 1.
3. Число остатков гуанина равно числу остатков цитозина, т.е.отношение гуанина к цитозину равно единице.
Нуклеазы, ферменты, катализирующие гидролиз нуклеиновых кислот. Эндонуклеазы расщепляют внутрицепочечные диэфирные связи, а экзонуклеазы действуют на концевые диэфирные связи.
Известно, что живые клетки содержат 3 типа РНК, выполняющие определенные функции. РНК бывает – 1) информационной - мРНК, 2) транспортной-тРНК и 3) рибосомной-рРНК.
Эукариотические клетки содержат и другие типы РНК, функции которых еще не установлены. Некоторые из них обнаружены в ядре, другие в цитоплазме.
Что касается основных типов РНК с известными функциями, то каждая из них выполняет специфическую роль в сложном процессе биосинтеза белка, при котором последовательность АК определяется нуклеотидной последовательностью ДНК.
В ходе процесса, называемого транскрипцией нуклеотидная последовательность гена в ДНК копируется в молекулу РНК. Транскрипты генов рРНК используются в синтезе рибосом, нуклеотидные последовательности транскриптов мРНК представляют собой инструкции для синтеза полипептидов на поверхности рибосом, а транскипты ионов тРНК соединяются с АК, которые затем переносят в рибосомный синтезирующий центр в порядке, указанном в мРНК (трансляция).
Информационные РНК представляют собой одноцепочечные молекулы разной длины. Вероятнее всего молекула мРНК – это просто незамкнутая цепочка. Характерная особенность любой мРНК заключена в уникальной последовательности нуклеотидов, содержащих азотистые основания. Каждый последовательно присоединенный набор из трех нуклеотидов (кодон) обеспечивает информацию для последовательного присоединения АК при биосинтезе полипептида.
Например, ИИИ обеспечивает присоединение фенилаланина, АИА – изолейцина, ГАИ – аспарагиновой кислоты.Следующий тип РНК – транспортные. Каждая клетка содержит несколько различных видов молекул тРНК, до 60.
Что же собой представляет матричная РНК? Начало белкового синтеза в интактных клетках иногда совпадает во времени с увеличением количества или скорости обновления цитоплазматической РНК. Анализируя этот факт, возникла гипотеза о матричной или информационной РНК. Это быстро меняющаяся РНК, образующаяся во время или перед началом белкового синтеза. Она функционирует в качестве посредника, переносящего генетическую информацию от хромосомной ДНК на поверхность рибосом. Молекула матричной РНК содержит полную генетическую информацию, необходимую для специфического синтеза одной или нескольких полипептидных цепей. Эта молекула связывается с рибосомами и служит рабочей матрицей при белковом синтезе. Синтез матричной РНК – транскрипция. Необходим фермент РНК-полимераза, эта реакция требует наличия ионов магния и при этом высвобождается пирофосфат. РНК-полимераза наиболее активна если в качестве матрицы используется двухцепочечная ДНК. Если же в системе используется одноцепочечная или денатурированная ДНК, то активность фермента ниже.