Учебно-методическое пособие для самостоятельных занятий (стр. 21 из 32)

12. У человека дальтонизм обусловлен сцепленным с полом рецессивным геном (d), а альбинизм – с аутосомным рецессивным геном (c). У супружеской пары, нормальной по этим признакам, родился сын с двумя указанными аномалиями. Укажите возможные генотипы родителей. Какова вероятность того, что у данной супружеской пары может родиться здоровая дочь? (ответ)

Тема 11. Молекулярные основы наследственности

Задания

1. Разобраться в схеме репликации, транскрипции и трансляция генетического материала в клетке.

2. Разобраться в схеме строения гена.

3. Выяснить назначение и механизм процессинга у эукариот.

4. Решить задачи.

Литература

1. Гуляев Г.В. Генетика. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Колос, 1984. – С. 125-173.

2. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика : Пер. с англ. – М. : Мир, 1987. – Т. 1. – С. 88-295.

3.

Айала Ф., Кайгер Д. Современная генетика : Пер. с англ. – М. : Мир, 1988. – Т. 2. – 368 с.

4. Биология / В.Н. Ярыгин, В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синельщикова; Под ред. В.Н. Ярыгина. – 2-е изд., испр. – М. : Высш. шк., 1999. – 448 с.

5. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. – М. : Высш. шк., 1989. – 521 с.

6. Гуляев Г. В. Задачник по генетике. – М. : Колос, 1973. – С. 28-29.

Пояснение к заданиям. Материальной основой наследственности большинства живых организмов является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), представляющая собой длинную полинуклеотидную структуру (десятки и сотни тысяч пар нуклеотидов), состоящую из двух соединённых друг с другом водородными связями антипараллельных нитей (рисунки 30, 31, 32).

Каждая нить молекулы ДНК состоит из нуклеотидов. Нуклеотид, в свою очередь, состоит из пентозного сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из четырёх азотистых оснований (пуриновые –

аденин и гуанин, пиримидиновые – цитозин и тимин). Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирными связями между остатком фосфорной кислоты и пентозным сахаром, образуя тем самым сахаро-фосфатный остов нити. Начало цепи всегда несёт фосфатную группу в положении 5^′, а конец – свободный гидроксил в положении 3^′, через который происходит наращивание полинуклеотидной цепи.

Цепи молекулы ДНК соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три соединяющих их связи.

Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5^′-конец одной цепи находится рядом с 3^′-концом другой, и наоборот.

Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК выделяют первичную структуру – полинуклеотидная цепь, вторичную структуру – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединённые водородными связями, и третичную структуру – несколько форм трёхмерной спирали (А-, В-, С- и Z-форма).

Одним из основных свойств наследственного материала клетки является его способность к самокопированию – репликации. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двуцепочечной спирали ДНК образуется две идентичные молекулы ДНК. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну исходную материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.

Репликация у эукариот начинается в определённых точках (локус ori) с образования особой структуры – репликационного глаза, где две цепи родительской ДНК ферментом геликазой (хеликазой) отделяются друг от друга, чтобы стать матрицами синтеза комплементарных цепей дочерних молекул. Область расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. Фрагмент ДНК от одной точки репликации до другой точки образует единицу репликации – репликон. В процессе синтеза две репликационные вилки, образующие репликационный глаз, перемещают

ся в противоположных направлениях до встречи с репликационной вилкой соседнего репликона. В разных репликонах молекулы ДНК эукариот удвоение может идти в разное время или одновременно.

Разделённые геликазой нити материнской ДНК связываются с белком SSB, предотвращая преждевременную реассоциацию цепей и их разрушение.

Синтез новых (комплементарных) цепей молекулы ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Особенностью ДНК-полимеразы является её неспособность начать синтез новой полинуклеотидной цепи путём простого связывания двух нуклеозидтрифосфатов: необходим 3^′-ОН-конец полинуклеотидной цепи, спаренной с матричной цепью ДНК. Такую полинуклеотидную цепь называют затравкой или праймером. Роль затравки выполняют синтезированные праймазой (РНК-полимераза) короткие последовательности РНК (около 10 нуклеотидов). ДНК-полимераза на основе матричной цепи молекулы ДНК и 3^′-ОН-конца затравки присоединяет очередной нуклеотид, постепенно удлиняя цепь (рисунок 33).

Разделение спирально закрученных цепей родительской ДНК ферментом геликазой вызывает появление супервитков перед репликационной вилкой. Фермент топоизомераза, работая перед репликационной вилкой, разрывает одну из цепей молекулы ДНК, давая ей возможность вращаться вокруг второй цепи и снимая накопившееся напряжение в двойной спирали ДНК (рисунок 34).

К высвобождающимся после работы геликазы водородным связям нуклеотидных последовательностей разделённых родительских цепей присоединяются нуклеотидные последовательности в виде дезоксирибонуклеозидтрифосфатов. Определённый нуклеозид образует водородные связи с соответствующим нуклеотидом материнской цепи ДНК. Затем при участии фермента ДНК-полимеразы он связывается фосфодиэфирной связью с предшествующим нуклеотидом вновь синтезируемой цепи, отдавая при этом неорганический пирофосфат (рисунок 35).

Способность ДНК-полимеразы осуществлять сборку полинуклеотидов в направлении 5^′- к 3^′-концу при антипараллельном соединении двух цепей ДНК означает, что процесс репликации должен протекать на них по-разному. Так, если на лидирующей дочерней цепи ДНК, которая синтезируется по матрице, имеющей направление 3^′ 5^′, её рост идет непрерывно от 5^′- к 3^′-концу, то другая отстающая дочерняя цепь не может формироваться по ходу репликационной вилки. Поэтому её синтез осуществляется в направлении, обратному ходу репликационной вилки, отрезками протяжённостью (у эукариот) 100-200 нуклеотидов, называемыми фрагментами Оказаки. Синтезу каждого такого фрагмента предшествует образование затравки (см. рисунок 33). Два сформированные фрагмента Оказаки после удаления из них затравки (осуществляется ферментом ДНК-полимераза I) сшиваются ферментом ДНК-лигаза с образованием фосфодиэфирной связи, формируя тем самым отстающую нить (рисунок 36).

Общая схема работы ферментов в репликационной вилке показана на рисунке 37.

Известно, что хромосомы эукариотических клеток состоят в основном из ДНК и белков, образуя нуклеопротеиновый комплекс. На долю белков (гистоновые и негистоновые) приходится около 60 % массы всей хромосомы. Гистоны представлены пятью белковыми фракциями: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, препятствуя считыванию заключённой в ней информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки обеспечивают пространственную организацию ДНК в хромосомах.

В процессе подготовки клетки к делению интерфазное состояние ядра начинает меняться, приводя к образованию строго специфичного для вида кариотипа хромосом (количество, форма, размер). Основную роль в этом процессе выполняют гистоны.

Первый уровень организации хроматина – нуклеосомная нить обеспечивается четырьмя видами гистонов Н2А, Н2В, Н3, Н4 (рисунок 38). Они образуют округлую белковую структуру, состоящую из восьми молекул (по две молекулы каждого вида гистонов), на которую спирально накручивается молекула ДНК, состоящая из 146 пар нуклеотидов (п.н.). Свободные от контакта с белковыми телами участки ДНК, включающие от 15 до 100 п.н. (в среднем 60 п.н.), называются связующими или линкерными. Спирально накрученная на гистоновую структуру молекула ДНК вместе с линкерной последовательностью составляет длину около 200 п.н. и называется нуклеосомой.

Молекула ДНК, упакованная в виде нуклеосомной нити, напоминает цепочку бус. Её диаметр с 2 нм приобретает 10-11 нм, а длина уменьшается с 5 до 0,7 см.