МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ
Державна освітня установа вищої професійної освіти
РОСІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТОРГОВЕЛЬНО-ЕКОНОМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кемеровський ІНСТИТУТ (ФІЛІЯ)
Факультет заочного навчання
Кафедра філософії та соціології
Контрольна робота з дисципліни
"Концепції сучасного природознавства"
по темі: "Молекулярно-генетичний рівень живих структур"
Виконав:
студент групи Піс-061
(Скорочена форма навчання)
Жилковом Ольга Анатоліївна
м. Кемерово 2007
Зміст
Введення
1. Молекулярно-генетичний рівень живих структур
1.1 Білки
1.2 Хімічні основи спадковості
1.4 Розподіл генів
1.5 Реплікація нуклеїнових кислот
1.6 Генетичний код
Висновок
Література
Введення
Багато років тому А. І. Опарін висловив припущення, що в первинному океані утворилися краплі, що містили макромолекули; ці краплі були названі їм коацерватами. Такі мікроскопічні краплі описав Бундерберг де Іонг. Зазвичай вони виникають при змішуванні розчинених речовин, що несуть різні електричні заряди. Зберігалися тільки ті краплі, які були пристосовані до існували тоді умовам. Можливо, вони занурювалися на дно, і це захищало їх від згубної дії ультрафіолетового випромінювання.
Коацервати Бунгерберга представляють собою статичні системи, але в первинному океані поступово змогли розвинутися "динамічні" краплі, стабільність яких збільшилася за рахунок збалансованого надходження і виділення компонентів. Усередині крапель концентрації розчинених речовин, наприклад, амінокислот, могли бути набагато вище ніж у навколишньому їх водному середовищі, тому реакції протікали в них досить швидко. Ці реакції, можливо, були більш специфічними, ніж у розведених розчинах; в деяких краплях, мабуть, були каталізатори, попередники ферментів. Пізніше деякі краплі придбали здатність реагувати на зміни, що відбуваються у зовнішньому середовищі, відповідними компенсаторними змінами. Для підтримки динамічного стану і для регуляції потрібний джерело вільної енергії.
Численні роботи, в яких досліджувалося поведінка штучних коацерватів в різних умовах були виконані А. І. Опаріним та його співробітниками. -фосфата по мере его диффузии из среды внутрь капель. Вражаючі дані були отримані в одному з експериментів: краплі, що містили фосфорилазу, синтезували крохмаль з наявного в середовищі глюкозо-l-фосфату у міру його дифузії з середовища усередину крапель. Якщо до складу крапель вводили, крім того, аміазу, то крохмаль гідролізувати до мальтози, яка шляхом дифузії наробив назовні.
Коацервати, що вивчалися Опаріним, утворені біогенними макромолекулами. Ось чому Бернал припустив, що коацервати могли виникнути тільки на більш пізньому етапі еволюції. Однак Еррера зміг отримати мікроскопічні крапельки з небіогенних макромолекул, інкубуючи розчини тіоціанат амонію та формальдегіду; на думку Еррери, подібні крапельки могли існувати в первинному океані.
Фокс отримав зі своїх штучних протеіноідов "мікросфери", обробляючи їх водою або розчинами солі. Правильно приготовлені мікросфери стійкі, одноманітні і мають певну ультраструктурою. У деяких випадках вони мають двошаровий оболонку і вибірково поглинають розчинені речовини шляхом дифузії. У гіпер-або гіпотонічних розчинах вони відповідно зморщуються або набухають. Мікросфери можуть рости шляхом акреції і розмножуватися за допомогою брунькування або подібних процесів, кілька нагадуючи цим мікроорганізми. На якійсь стадії їх можна розглядати як "протоклетки".
У вихідних уявленнях про коацерватах і мікросфер не згадувалося про нуклеїнові кислоти. Автори припускали, що на цьому ступені еволюції єдиними інформаційними макромолекулами були білки. У такому випадку пізніше білки втратили цю виняткову функцію. Але, звичайно, можна припустити, що нуклеїнові кислоти містилися в коацерватах і мікросфер, особливо в мікросфер, що складаються з основних протеіноідов. Згідно з уявленнями Фокса, механізми з участю нуклеїнових кислот виникли як "еволюційне удосконалення" і тепер на якійсь стадії міг початися потік інформації в обох напрямках між двома типами макромолекул.
На противагу Фоксу Оргела вважає, що білки ніколи не могли відтворювати себе, а цим властивістю володіли тільки нуклеїнові кислоти (полінуклеотіди). Освіта полінуклеотидів неферментативних шляхом, тобто без участі білків, показано в дослідах; наприклад, полінуклеотіди можуть синтезуватися шляхом конденсації відповідних похідних підстав на матриці, утвореної штучним полінуклеотидів. Процеси такого типу, мабуть, існували вже на самих ранніх етапах еволюції, і пізніше протіканню цих процесів могло сприяти взаємодія з не існуючими інформацію поліпептидами білками. Каталізаторами, можливо, служили різні поверхні. Напівпроникні мембрани навколо первинних утворень могли виникнути тільки після того, як почався біосинтез, що каталізуються ферментами, і коли треба було утримувати і захищати продукти цього біосинтезу. У хімії атоми вуглецю мають виняткову долю. Вони можуть взаємодіяти один з одним, а також з воднем, киснем, азотом і деякими іншими атомами з утворенням довгих ланцюгів вуглеводнів або п'ятичленних та шестичленних кілець. У природних умовах подібні вуглецеві сполуки знайдені тільки в живих або копалин організмах, і тому вони були названі органічними речовинами. Вже в кінці століття з живих організмів було виділено кілька "безпосередніх почав", таких, як сечовина, щавлева і яблучна кислоти. Тому протягом довгого часу вважали, що молекули цього типу можуть бути утворені тільки життєвими силами самих організмів. в. Однак до початку XIX ст. з біологічного матеріалу були екстрагувати багато нові органічні речовини і досить багато органічних сполук. Їх дослідженням займається наука біохімія. Молекули життя можуть бути розділені на чотири основні класи: білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи та ліпіди. В даний час вважають, що в еволюційному процесі два останні класу молекул утворилися пізніше і що життя виникло з неживої матерії після появи білків і нуклеїнових кислот.
1. Молекулярно-генетичний рівень живих структур
1.1 Білки
Білки утворюються з великого числа амінокислот, які пов'язані між собою пепдіной зв'язком. Кожен білок має унікальну амінокислотну послідовність, звану первинної структурою, яка визначається спадковими факторами. Типовий білок може містити аж до 200 амінокислот. Довга полімерний ланцюг згортається в просторі в тривимірну структуру, яка визначається як конформація білка. Каталітична активність молекули білка істотно залежить від її конформації. Розтягнута молекула білка втрачає свою каталітичну активність.
Дві амінокислоти однакового складу можуть відрізнятися один від одного так само, як ліва і права руки, і в цьому сенсі їх структури не поєднуються. З причин, які поки ще не ясні, в якості "будівельних блоків" для живих організмів природа вибрала лише одну "руку" - левовращающіе амінокислоти.
1.2 Хімічні основи спадковості
Хімічні основи спадковості. Докази зберігання і передачі генетичної інформації нуклеїновими кислотами. Перші експериментальні дані про зберігання і передачі генетичної інформації нуклеїновими кислотами були отримані в 1944 р. Евері і співробітниками при роботі з бактеріями. Досліди проводили з двома генетично різними штамами пневмоккоков. В одному штамі бактерії були укладені в полісахаридні капсули, в другому позбавлені їх. У кожному штамі відповідний ознака стійко успадковувався при розмноженні бактерій. З бактерій капсульного штаму (штаму-донора) виділяли ДНК і її розчином обробляли бактерій бескапсульного штаму (штаму-реципієнта), після чого серед нащадків зазнали цього впливу бескапсульних бактерій, деякі набували полісахаридних капсулу і передавали цю ознаку своєму потомству, серед якого він потім стійко успадковувався протягом будь-якого числа поколінь. Ретельне очищення екстракту ДНК від білкових домішок і обробка його протеазами (ферментами, які руйнують білки) і іншими руйнівними білки впливами не позбавляла його здатності перетворювати бескапсульних бактерій у бактерій, які мають капсулу, але якщо на такий же екстракт діяли дезоксирибонуклеаза (ферментом, специфічно руйнують ДНК) , то здатність ця повністю втрачається. Таким чином, було встановлено, що ДНК, виділена з бактерій, що несуть ген, що визначає освіту полисахаридной капсули, може переносити цей ген в бактерії, його містять. Явище це, що отримало назву генетичної трансформації, було потім вивчено багатьма дослідниками і було показано, що воно відтворено не тільки у пневмококів, а й у інших бактерій, причому за допомогою ДНК можна передавати з одного бактеріального штаму в інші (а в ряді випадків навіть іншим видам бактерій) найрізноманітніші гени, наприклад визначають їх стійкість до різних антибіотиків або сульфаніламідів, особливості росту культури, здатність зброджувати різні цукру, синтез тих чи інших амінокислот, серологічні властивості і т. д. Якщо досліджуються штами, що розрізняються за кількома генами, то за допомогою ДНК можна переносити з одного штаму в інший не тільки кожен ген окремо, але в деяких випадках трансформація йде за двома генами відразу, тобто обидва гени переносяться разом, що вказує на відносно велику величину включився в реципієнт фрагмента молекули ДНК, що містить мінімум два гени донора. Така спільна передача при трансформації двох генів буває тільки тоді, коли ці гени лежать близько один до одного в бактеріальної хромосомі
1.3 Нуклеїнові кислоти
Організми містять ще один тип гігантських макромолекул, званих рибонуклеїнової і дезоксирибонуклеїнової кислотами, скорочено РНК і ДНК. Структури і функції цих молекул докорінно відрізняються від таких для білків. Молекули ДНК містять в собі всю інформацію і "правила", необхідні для синтезу абсолютно будь-якого біологічного матеріалу, включаючи свою власну освіту, увічнюючи тим самим біологічні види.
Фрагменти ДНК, що містить один залишок цукру, один підстави і один або більше фосфату, називаються нуклеотидами. Вони грають дуже важливу роль в житті клітини як попередники ДНК або кофактори ферментів. Один з цих нуклеотидів, аденозинтрифосфат (АТФ), відіграє значну роль у клітинному метаболізмі. Ця молекула є "енергетичної валютою" всіх живих організмів.
Дуже важлива особливість нуклеїнових кислот полягає в аперіодічності будови їхніх гігантських молекул. Безліч нуклеотидів чотирьох типів, представляють ланки цих молекул, слід в лінійній молекулі один за одним в самих різних поєднаннях, але поєднання ці строго постійні для кожного роду ДНК або РНК даного організму. Таке чергування нуклеотидів у молекулах нуклеїнових кислот можна порівняти з порядком чергування літер у письмовому тексті, де букви розташовані в різній послідовності, але послідовність ця цілком визначена і специфічна для слів і пропозицій, що складають даний конкретний текст. Саме така специфічність будови полімерних молекул нуклеїнових кислот визначає можливість зберігання в них великої та складної генетичної інформації.
"Алфавіт" життя включає всього чотири молекули, які відносяться до двох різних класів хімічних речовин: пуринів і піримідинів. Два пурину аденін і гуанін і два піримідину цитозин і тимін - підстави, а також існує ще одна підстава - урацил, яке входить тільки до структури РНК. Прийнято позначати підстави відповідними початковими буквами: аденін - А, гуанін - Г, цитозин - Ц, тимін - Т і урацил - У. Подібно до цього, матриці живих організмів складаються з довгої послідовності фосфатних і вуглеводних молекул, що утворюють остов, до якого прикріплені чотири підстави . ДНК містить цукор дезоксирибозу, а РНК - деякий відмінний цукор рибозу. РНК має теж чотири типи підстав, з яких три (аденін, гуанін і цитозин) такі ж, як в ДНК, а тимін замінений тут іншим піримідинів - урацилом.
Мовою ДНК всі слова, або кодони, написані трьома літерами і вони вказують "старт", "зупинку" або кодування однієї з 24 амінокислот. повне "пропозиція", або ген, кодує специфічний білок. Поняття "мова ДНК", або генетичний код, дуже часто є синонімами. Наприклад, обидва триплетів підстав ЦАУ і цяць кодують амінокислоту гістидин. Молекула ДНК даного організму є закінченою "книгою сказань" цього організму. Вся стародавня історія і майбутнє розвиток організму віддруковані на матриці ДНК.
Якщо матриця не використовується, вона повинна бути укладена в оболонку для захисту від часу, ерозії і шкідливого оточення. Організми здійснюють це шляхом обгортання двох ідентичних молекул - полінуклеотидних спіралей - навколо один одного, так що утворюється подвійна спіраль молекули ДНК. Всі підстави, які мають інформацію, з метою їх кращого збереження звернені всередину подвійної спіралі. Однак два ланцюги мають протилежний напрямок, так що піримідинові утворюють водневі зв'язки з пуринами комплементарного тяжа.
Просторова конфігурація (конформація) молекул ДНК була встановлена в 1953 р. Уотсоном і Криком на підставі рентгенографічного дослідження і біохімічних даних. Відповідно до запропонованої ними моделі, підтвердженої пізніше безліччю інших робіт, молекула ДНК складається з двох ниток, що утворюють правовідно спіраль. Азотисті основи обох ниток орієнтовані в напрямку до середини спіралі, причому аденін однієї нитки завжди знаходиться навпроти тиміну інший нитки, а гуанін однієї нитки - навпаки цитозину інший нитки. У кожному з цих пар підстави з'єднані один з одним водневими зв'язками, дві такі зв'язки є в парі аденін-тимін і три - в парі гуанін-цитозин. Внаслідок такої комплементарності азотистих основ порядок чергування нуклеотидів в обох нитках ДНК виявляється взаємообумовлених, а обидві нитки спіралі розташовані антипараллельно і представляють як би репліки один одного.
Комплементарність двох ниток молекули ДНК призводить до того, що число пуринів в ній дорівнює числу піримідинів. Молекули ДНК бувають або лінійними, або замкнутими в кільце, зазвичай ще перекрученниое; такі кільцеві молекули ДНК характерні для хромосом і плазмід бактерій, для ряду ДНК - містять вірусів, для мітохондрій, пластид, кінетопласт. У рідкісних випадках молекули ДНК не двунітевих, а однониткових; подібну структуру мають ДНК деяких дрібних фагів.
Молекули різних ДНК сильно розрізняються своїми розмірами, але всі вони дуже великі (макромолекули) і складаються з величезного числа (тисяч, мільйонів або мільярдів) мономерів - нуклеотидів і відповідно до цього характеризуються дуже великими молекулярними вагами. Мабуть, всі ДНК є геномні, тобто завжди служать хранителями генетичної інформації і скрізь, крім РНК-вмісних вірусів, вся генетична інформація зосереджена в ДНК і при розмноженні передається нею наступним поколінням.
Найбільш чудовий факт, виявлений в "живих" системах, полягає в тому, що генетичний код ідентичний для трьох з половиною мільйонів видів відомих рослин і одного мільйона видів тварин.
На відміну від ДНК молекули РНК, як правило, однониткових. Побудовані вони аналогічно ниткам ДНК. Однониткових будова молекул більшості РНК обумовлює відносну лабільність їх конформацій і в розчині вони нерідко утворюють клубообразние структури. Однак у багатьох РНК в межах однієї нитки зустрічаються ділянки з однаковою, але протилежно орієнтованої ("паліндромний") послідовністю комплементарних підстав, що призводить до виникнення "шпильок", добре видимих в електронному мікроскопі, в яких два комплементарних один одному ділянки однієї нитки зближені і з'єднані водневими містками між парами основ. Якщо нитка РНК має кілька таких комплементарних один одному ділянок, то утворюється кілька "шпильок" і конфорація молекули набуває значну жорсткість, що особливо характерно для так званих транспортних РНК.
У залежності від функцій, присутніх молекул РНК, всі РНК можуть бути розділені на декілька класів. З них тільки РНК, що знаходяться в РНК-містять віруси, є геномні, тобто зберігають і передають наступному поколінню відповідну генетичну інформацію. Решта РНК (Хвороби, матричні РНК, транспортні РНК та ін) виконують інші функції, головним чином пов'язані з реалізацією генетичної інформації. Розміри молекул РНК дуже різні, але загалом вони менше молекул ДНК. Геноми РНК вірусів відносяться до найбільших.
Крім перелічених головних азотистих основ, до складу деяких нуклеїнових кислот в невеликій кількості входять ще одного азотисті основи, що отримали назву мінорних. Так, у вищих тварин і вищих рослин в ДНК невелика частина цитозином замінена 5-метилцитозин, а ДНК ряду фагів весь цитозин замінений 5-оксіметілцітозіном. У деяких типах РНК в незначній кількості зустрічаються псевдоуридин, метилгуанін та інші мінорні підстави.
Різні види РНК служать посередниками для перенесення генетічекой інформації з ДНК на білки. Тільки вони перебувають у контакті з амінокислотами та білками. Тому природно припустити, що РНК - перша інформаційна біомолекул, що виникла в передбіологічній середовищі.
1.4 Розподіл генів
Те, що гени розташовані в хромосомах, здавалося б, не відповідає тому факту, що в людей тільки 23 пари хромосом і разом з тим тисячі різних ознак, яким повинні відповідати тисячі різних генів. Одних тільки ознак, зчеплених з Х-хромосомою, кілька сотень, а на самій короткій аутосоме розташовані також сотні генів. Як це узгоджується з менделєєвської законом незалежного розподілу ознак? Це значить, що закон незалежного розподілу ознак застосуємо тільки для генів, розташованих на різних хромосомах; спочатку ученим необхідно було визначити основні закони та з'ясувати природу спадковості на прикладі найпростіших ознак. Насправді багато генів розташовані на одній і тій же хромосомі, тому вони, як правило, успадковуються разом. Такі гени називаються зчепленими. Одне з досягнень сучасної генетики і полягає в тому, що створені карти зчеплення для багатьох ознак. На цих картах показано також відносне положення генів на хромосомах, ці карти мають не тільки теоретичне, але й практичне значення.
Місце, яке ген займає на хромосомі, називається локусом. За винятком тих рідкісних випадків, коли відбувається перебудова хромосоми, у всіх представників окремого біологічного виду кожен ген має строго певний локус. Про існування генів дізналися по мутацій, які зазвичай змінюють гени, роблячи їх дефектними або незвичайними. Більшість спадкових ознак відомі за такими спадковим захворюванням, як гемофілія, дальтонізм і фенілкетонурія. Нормальні алелі гена називаються дикими, хоча, як правило, цей термін застосовується тільки для деяких організмів, з якими проводять досліди. Гени, що визначають такі ознаки людини, як колір очей або групу крові, зазвичай дикими не називаються. У природному популяції є багато алелей одного гена. Мутантний аллель можна використовувати як маркер, що допомагає визначити місце розташування гена. Наприклад, дефектний ген гемоглобіну, який викликає серповидноклеточной анемію, можна використовувати як маркер для визначення локусу генів гемоглобіну взагалі. Без такого варіанту гена у нас би були мало можливостей досліджувати ці гени.
Генетична карта хромосоми представляє собою лінію, на якій відзначені локуси генів і відносні в одиницях карти. Хоча деякі методи з використанням мікроскопа дозволяють вченим безпосередньо визначити локус гена на хромосомі, зазвичай встановлюють локус гена щодо інших генів. Для цього потрібні організми, гетерозиготні за двома генами, щоб дві марковані хромосоми могли взаємодіяти один з одним. Для цього потрібні організми, гетерозиготні за двома генами, щоб дві марковані хромосоми могли взаємодіяти один з одним. Розподіл алелів у цих організмах називається батьківського комбінацією.
У профазі мейозу гомологічні пари вистоюється навпроти один одного і утримуються разом в хіазмі, тобто в точках, де їх хроматиди переплітаються один з одним. Іноді в точці хіазми хроматиди розриваються і обмінюються один з одним сегментами. Такий процес називається кросинговером. Якщо кросинговер відбувається між локусами двох генів, то алелі цих генів перерозподіляються між хромосомами.
Визначити відстань між генами людини - досить складно. У більшості організмів, схрещувати які можна за вибором, весь процес складається з двох стадій. Спочатку схрещуються між собою гомозиготи з потрібними алелями і виходить і виходить гетерозиготне потомство, у якого можуть відбуватися рекомбінації; потім схрещуються особини другого покоління, і вивчається їх потомство. У людей перша і друга стадії відповідають шлюбу, над яким ми не владні, і тому залишається тільки вивчати нащадків від таких шлюбів. Встановивши відстань між двома генами, можна по одному додавати й інші гени.
Легше за все визначати положення генів, зчеплених зі статтю, тому що розташування алелів як мінімум однієї з Х-хромосом жінки можна визначити по Х-хромосомі її батька, а генотип Х-хромосоми її синів також визначається безпосередньо. Побудувати карту аутосомним хромосом важче. У наш час створені чудові карти для деяких лабораторних і культурних рослин і тварин.
1.5 Реплікація нуклеїнових кислот
При розмноженні будь-яких форм життя (окрім вірусів РНК-типу) відбувається збільшення кількості молекул ДНК. У багатоклітинних організмів з двох злилися гамет виходить тисячі, мільйони чи мільярди клітин тіла; у бактерій і найпростіших з однієї батьківської клітки виникають дві, з них чотири і потім, в геометричній прогресії, безліч нових; у ДНК-вмісних вірусів замість одного вириона утворюється десятки і сотні віріонів наступного покоління. У всіх випадках кожна вихідна молекула ДНК якимось чином дає початок величезному числу нових, причому зберігаються в незмінному вигляді всі особливості, притаманні ДНК даного живої істоти і різні у різних з них. Лише дуже рідко, коли виникає мутація, відбуваються невеликі спотворення цієї зберігається в ДНК генетичної інформації, але вони вкрай незначні в порівнянні з колосальним її обсягом, записаним у чергуванні азотистих основ молекули.
Процес отримання двох копій (або реплік) початкової молекули ДНК називається реплікацією, і модель Уотсона-Кріка пояснює, як це можливо. У кожній молекулі ДНК одному нуклеотиду відповідає комплементарний йому нуклеотид, і один ланцюг ДНК цілком комплементарна інший. Реплікацію виконує складний фермент ДНК-полімераза, яка починає розривати подвійну спіраль, немов застібку-блискавку, залишаючи по одній підставі на кожному ланцюзі. Суть процесу зводиться до того що молекули ДНК-полімерази рухаються уздовж кожної ланцюга і синтезують комплементарні ланцюга, утворюючи таким чином подвійну спіраль замість одинарною. Кожне вільне підставу пов'язується виключно з компленментарним нуклеотидом. Наприклад, відкритий цитозин привертає до себе новий гуанін, а відкритий аденін - тимін. У клітині міститься достатньо вільних нуклеотидів, тому що в процесі метаболізму вони утворюються постійно, і полімераза пов'язує парні підстави разом. Так, кожне коло визначає формування комплементарної їй ланцюга з послідовністю, ідентичною послідовності колишньої парної ланцюга. У кінцевому рахунку виходять дві спіралі, ідентичні початковій молекулі.
Нуклеотидна послідовність ДНК повинна зберігати генетичну інформацію, і останнє припущення, що випливає з моделі Уотсона - Кріка, полягає в тому, що мутації відбуваються в тих випадках, коли одна підстава замінюється на інше або коли ланцюг рветься і перебудовується. Таке трапляється рідко, але якщо відбувається, то в клітці є механізми виправлення деяких помилок. Тим не менш у кожному організмі міститься величезна кількість ДНК, і якщо ймовірність вставки помилкового підстави дорівнює тільки однієї мільйонної, то на кожні 10 мільйонів підстав буде припадає 10 помилок, і мутація стає силою, з якою слід рахуватися.
1.6 Генетичний код
Дослідження, що призвели до розшифровки генетичного коду, з яких особливо велике значення імені генетичні роботи Крику зі співробітниками в Англії та біохімічні роботи Ниренберга, Очоа і Корнберга в США, розкрили наступні основні властивості коду:
Код пеперекривається.
Кожна амінокислота кодується групою з трьох нуклеотидів (триплетом нуклеотидів).
Послідовність нуклеотидів в молекулі нуклеїнової кислоти зчитується з закріпленої точки. Це визначає, як зчитувати у вигляді триплетів всю довгу ланцюг нуклеотидів. Не має жодних ком, що поділяють триплети і вказують, як вибирати потрібні.
Код вироджений, тобто одна амінокислота може кодуватися не одним, а кількома певними триплетами нуклеотидів.
Представимо два принципово різні коду - пеперекривається і перекривається,. Пояснити різницю між ними можна таким прикладом. Припустимо, що кожна амінокислота визначається поєднанням трьох нуклеотидів і що зчитування відрізок мРНК має наступну структуру (структура вибрана довільно, вказані початкові буква назв азотистих основ нуклеотидів: А - аденін, Г - гуанін, Ц - цитозин, У - урацил): ААЦУГГЦУАГЦЦУУГ
Якщо код пеперекривається, то зчитування групами по три нуклеотиду може відбуватися тільки одним способом, а саме: А-А-Ц-Г-Г-Ц-У-А-Г-Ц-Ц-У-У-Г
Якщо ж код перекривається, то зчитування групами по три нуклеотиду повинно відбуватися трьома способами:
1-й спосіб: А-А-Ц - У-Г-Г - Ц-У-А - Г-Ц-Ц - У-У-Г
2-й спосіб: А-А-Ц-У - Г-Г-Ц - У-А-Г - Ц-Ц-У-У-Г
3-й спосіб: А-А-Ц-У-Г - Г-Ц-У - А-Г-Ц - Ц-У-У-Г
Доказом того, що код пеперекривається, є дані, отримані при вивченні первинної структури білків різних мутантів. Частинки вірусу тютюнової мозаїки (ВТМ) складаються із серцевини, утвореної молекулою РНК, і навколишнього її білкового капсиду. Молекули капсидного білка побудовані з 158 амінокислот, розташування яких у молекулі відомо. Вірус обробляли азотистою кислотою - речовиною, що викликають мутації дезамінуванням азотистих основ окремих нуклеотидів. Цим способом були отримані численні мутації вірусу тютюнової мозаїки і у мутантів була досліджена первинна структура їх капсидних білків. Майже завжди виявлялося, що мутантний вірусний білок відрізняється від вихідного тільки по одній з 158 амінокислот, а в інших небагатьох випадках, коли такі відмінності стосувалися двох амінокислот, це були амінокислоти, що знаходяться в молекулі білка далеко один від одного. Звідси випливає, що майже при всіх викликаних азотистою кислотою мутаціях зміна азотистого підстави нуклеотиду відбувалося тільки в одному якому-небудь триплеті і лише зрідка в двох триплетів, але розташованих в різних місцях РНК. Це цілком узгоджується з припущенням про пеперекривається коді, але суперечить допущенню про тому, що код перекривається, так як при перекриваються коді зміна заснування одного нуклеотиду повинно було б приводити до зміни двох або трьох обов'язково сусідніх амінокислот в молекулі мутантного білка. Аналогічні результати отримані при дослідженні мутацій, які зачіпають первинну структуру інших білків, наприклад бактеріальної тріптофансінтетази і гемоглобіну людини.
Четверте властивість генетичного коду, що напрошується, з розглянутої роботи Кріка і співробітників з профлавіновим мутацій фага Т4, але не доведене ними, полягав у тому, що деякі амінокислоти кодуються не одним, а кількома певними триплетами нуклеотидів, тобто що код є виродженим. Це випливало з того, що поєднання чотирьох різних нуклеотидів групами по три дає 64 триплетів, амінокислот ж тільки 20. Висловлене вперше Криком і співробітниками припущення про виродження генетичного коду було потім доведено іншими дослідженнями, присвяченими з'ясуванню, якими конкретними триплетами кодуються різні амінокислоти.
Такі дослідження проводилися в основному двома методами. Перший полягає в тому, що в пробірку, що містить завись рибосом, вносять як матриці не природну мРНК, а штучно створені триплети рибонуклеотидов (кодони) заданого складу. Такі нуклеотиди, подібно мРНК, прикріплюються до рибосом. Крім того, в пробірку вносять який-небудь один з видів тРНК з відповідною приєднаної до нього амінокислотою, міченої радіоактивним вуглецем або тритієм.
У тому випадку, якщо антикодон даної тРНК комплементарний матричному трінуклеодіту, відбувається зв'язування амінокислоти з рибосомами, що можна виявити по включенню радіоактивної мітки в обложені рибосоми. Якщо ж внесений в пробірку матричний триплет кодує не цю, а яку-небудь іншу амінокислоту, то специфічного зв'язування амінокислоти з рибосомами не відбудеться. Використовуючи в таких дослідах поєднання різних матричних триплетів з тРНК, що несуть різні мічені амінокислоти, можна визначити, який конкретний триплет нуклеотидів кодує ту чи іншу амінокислоту. Крім того, цей метод дає підтвердження триплетного кодонів - було показано, що зв'язування тРНК з рибосомою відбувається тоді, коли до рибосоми приєднана трінуклеотідная матриця, але для цього недостатньо дінуклеотідной. У той же час трінуклеотідние матриці виявилися достатніми для зв'язування з рибосомами тРНК з усіма амінокислотами.
Другий метод полягає в тому, що в пробірку, що містить завись рибосом і повний набір всіх тРНК з приєднаними до них амінокислотами, вносять як матриці штучно синтезований полирибонуклеотидов заданого складу і потім визначають послідовність амінокислот у образующемся поліпептиди. Полірібонуклеодіт, що представляє ланцюжок з однакових триплетів, зумовлює синтез поліпептиду, що складається з повторення однієї амінокислоти; наприклад, полирибонуклеотидов ААА - ААА - ААА і т. д. кодує синтез полілізіна (лізин - лізин - лізин - і т. д.). Якщо ж у матричному полирибонуклеотидов чергуються два різних триплетів, то синтезується поліпептид, в якому чергуються два амінікіслоти: наприклад, полирибонуклеотидов АЦА - цяць - АЦА - цяць кодує синтез поліпептиду, що складається з чергування треоніну і гістидину (треонін - гістидин - треонін - гістидин і т . д.). За допомогою цих методів і деяких їхніх модифікацій, повністю вдалося розшифрувати генетичний код, показаний у таблиці 1.1.
Таблиця 1.1
Перший нуклеотид
Другий нуклеотид
Третій нуклеотид
У
Ц
А
Г
У
Фен
Сер
Тир
Цис
У
Фен
Сер
Тир
Цис
Ц
Лей
Сер
Стоп (Охра)
Стоп (Опал)
А
Лей
Сер
Стоп (Амбер)
Тріп
Г
Ц
Лей
Про
Гіс
Арг
У
Лей
Про
Гіс
Арг
Ц
Лей
Про
Глн
Арг
А
Лей
Про
Глн
Арг
Г
А
Ілей
Тре
АСН
Сер
У
Ілей
Тре
АСН
Сер
Ц
Ілей
Тре
Ліз
Арг
А
Мет
Тре
Ліз
Арг
Г
Г
Вал
Ала
Асп
Гли
У
Вал
Ала
Асп
Гли
Ц
Вал
Ала
Гли
Гли
А
Вал
Ала
Гли
Гли
Г
Примітка до таблиці 1.1. Фен - фенілаланін, Лей - лейцин, Ілей - ізолейцин, Мет - метіонін, Вал - Валін, Сер - серин, Про - пролін, Тре - треонін, Ала - аланін, Тир - тирозин, Гіс - гістидин, Глн - глутамін, АСН - аспарагін, АСП - аспарагінова кислота, Ліз - лізин, Глу - глутамінова кислота, Цис - цистеїн, Тріп - триптофан, Арг - аргінін, гли - гліцин, А - аденін, Г - гуанін, Ц - цитозин, У - урацил. Вохра, комору і опал - умовні назви безглуздих кодонів.
З таблиці 1.1 видно, що генетичний код, як і передбачалося, сильно виродилися. Тільки дві амінокислоти (метіонін і тіптофан) мають по одному кодує триплети, дев'ять амінокислот (наприклад, тирозин, фенілаланін) кодуються кожна двома триплетами. Одна амінокислота (ізолейцин) кодується трьома триплетами, п'ять амінокислот (наприклад, пролін, гліцин) кодуються чотирма, а три амінокислоти (аргінін, лейцин і серин) навіть шістьма різними триплетами кожна.
Це повністю узгоджується з даними, отриманими пізніше, коли була визначена точна структура ряду тРНК. Виявилося, що для однієї амінокислоти може існувати дві або навіть кілька різних тРНК, до яких вона може бути причеплено аміно-ацил-тРНК-сінтеразамі; число таких ізоакцепторними тРНК зазвичай залежить від числа різних триплетів, що кодують дану амінокислоту.
З 64 можливих триплетів, утворених поєднаннями чотирьох підстав, 61 триплет кодує амінокислоти, а три триплетів, а саме - УАА, УАГ і УГА, що отримали в молекулярній генетиці умовні назви "охра", "Амбер" та "опал", служать свого роду стоп -сигналами, що позначають кінець трансляції.
Коли зчитування мРНК в рибосоме доходить до одного з цих триплетів, він розпізнається особливими білками ("звільняють чинниками"), які обривають подальше зростання поліпептидного ланцюга і відділяють її від рибосоми, після чого рибосома може приступити до синтезу наступного поліпептиду.
Дуже важливою властивістю генетичного коду є його майже повна універсальність. Код єдиний для всіх організмів, як прокаріотів, так і еукаріотів, а також для вірусів, кожна з амінокислот визначається тим же самим кодоном або тими ж кодонами. Це особливо чітко демонструють досліди, в яких трансляцію здійснюють компоненти різного походження. Так, наприклад, коли в безклітинну білок-синтезуючу систему, що містить амінокислоти і тРНК, з кишкової палички, вносили мРНК, виділену з ретикулоцитів кроля, то там утворювався білок, тотожний кролячому гемоглобіну, нормально синтезується ретикулоцитах. Про майже повної універсальності генетичного коду говорять і результати використання штучно синтезованих полирибонуклеотидов відомого складу в білок - синтезують системах з бактеріальних компонентів і з компонентів клітин ссавців - в обох системах такі матриці обумовлюють синтез однакових поліпептидів, структура яких суворо відповідає кодовому значенню триплетів матриці. Є багато й інших даних, що свідчать про те, що код скрізь однаковий. Зокрема, про це говорять досліди, які показують, що при штучній пересадки генів у клітини неспорідненого організму, наприклад, генів бактерії в клітини ссавця, ці гени продовжують обумовлювати там синтез специфічних для них білків.
З універсальності генетичного коду відомо тільки одне часткове виключення. У мітохондріях, мають свій власний білок-синтезуючий апарат, кодові значення декількох триплетів інші, ніж зазначено в таблиці 1; наприклад, триплет УГА, зазвичай не кодує амінокислот, а службовець стоп-сигналом ("опал"), в мітохондріях кодує триптофан; триплет ЦУГ, зазвичай кодує лейцин, тут кодує треонін і так далі. Крім того, число різних тРНК, утворених в мітохондріях, менше, ніж їх синтезується в клітинному ядрі. Висловлюється припущення, що в мітохондріях, які за сучасними уявленнями колись відбулися з якихось древніх мікроорганізмів, код дещо змінився в результаті тривалого існування у вигляді облігатних внутрішньоклітинних сімбіонов. Кодові значення триплетів в генах пластид не змінені, вони такі ж, як в ядерних генах організмів.
Висновок
в. Відкриття ДНК і встановлення її двуспіральной структури Уотсоном і Кріком в 1956 р. - це видатне досягнення XX ст.
Універсальність генетичного коду вказує на його дуже раннє виникнення в історії життя на Землі. Очевидно, код склався в теперішньому вигляді вже у найдавніших живих істот, що стали коренем, з якого розвинувся весь органічний світ, найрізноманітніші представники якого, від самих примітивних до найбільш високо організованих, об'єднані спільністю коду, успадкованого ними від цих далеких предків.
Обсяг генетичної інформації, що зберігається в генах і переданої ними. У вищих організмів, що характеризуються величезним числом і різноманітністю синтезованих білків, обсяг укладений у генах інформації повинен бути більшим. Наступні розрахунки, пов'язані з генам людини, узятим в якості прикладу, дозволяють наочно уявити собі, наскільки велика ця інформація і яке вражаюче багатство її зменшується в мініатюрному просторі.
Чотири мільярди (4 * 10 9) спрямовує людину (це мінімальна кількість, що візьме участь в утворенні наступного покоління людей на земній кулі) можуть поміститися в одній аптечної облатки, яку ми ковтаємо, коли доводиться прийняти хінін або інший неприємний на смак порошок. Такий же обсяг займає хроматин чотирьох мільярдів ядер яйцеклітин, з якими зіллються ці спермії при заплідненні. У цих двох "облатках" міститься інформація, яка забезпечує відміну кожного майбутнього людини від бактерій, водоростей, салату, равликів, жаб, горобців, мишей, словом, від всіх інших видів живих істот. Крім того, ці "облатки" несуть у собі інформацію про те, яка буде в кожного з чотирьох мільярдів людей наступного покоління забарвлення шкіри, колір і структура волосся, колір і розріз очей, форма носа, групи крові і незліченну безліч інших вроджених морфологічних, фізіологічних , фізіологічних і біохімічних особливостей, що відрізняють одних людей від інших і роблять неповторним-якого з них. Спробуємо виразити в цифрах кількість такої інформації.
За сучасними оцінками, гаплоїдний набір хромосом людини містить не менше 50 тис. і не більше 100 тис. генів, що визначають синтезовані в його клітинах білки, а також рибосомальні і транспортні РНК. Візьмемо меншу цифру, 50 тис. (5 * 10 4). Отже, в одній "облатки" поміщається (4 * 10 9) * (5 * 10 4) = 20 * 10 13, тобто 200 трильйонів генів. Ген складається в середньому з 1000 (10 3) пар нуклеотидів. Значить, в "облатки" знаходиться 20 * 10 13 * 10 3 = 20 * 10 16 пар нуклеотидів, які входять до складу генів людини.
Література
Баблояц А., Молекули, динаміка і життя. Введення в самоорганізацію матерій: Пер. з англ. - М.: "Мир", 1990. - 375 с., Іл.
Брода Е., Еволюція біоенергетичних процесів: Пер. з анл. / - М.: Світ, 1978. - 304 с.
Гершензон С. М., Основи сучасної генетики, вид. 2-е виправлю. і додатк., - Київ.: НАУКОВА ДУМКА, 1983. - 558 с.: Іл.
Гутман Б., Гріффтс Е., Сузукі Д., лаштунки Т., Генетика / - Пер. з англ. О. Перфільєва. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2004. .: ил. - 448 c.: Іл. - (Наука & Життя).
Інге-Вечтомов С. Г., Генетика з основами селекції: Учеб. для біол. спец. уні-тов - М.: Вищ. шк., 1989. - 591 с.: Іл.
Еткінс П., Порядок і безладдя в природі: пров. з англ. / Предисл. ю. Г. Гудого - М.: Світ, 1987. - 224 с., Іл.