Структура и свойства генетического кода

1.
Как отмечено выше, генетическая информация о синтезе белков содер-жится в молекулах ДНК и закодирована с помощью кода, получившего назва-ние генетического. Код, его структура и свойства были открыты в 60-х годах.
Структура генетического кода характеризуется тем, что он является три-плетным, т. е. состоит из триплетов (троек) азотистых оснований ДНК, полу-чивших название кодонов. Из 64 (4 х 4 х 4) возможных сочетаний нуклеотидов (кодонов) 61 является кодирующим, кодируя место аминокислоты в полипеп-тидах. Три кодона, не кодируя места аминокислот в полипептиде, детермини- руют лишь остановку синтеза полипептида. Поэтому они названы стоп-кодонами или, иногда, терминирующими кодонами. Итак, один кодон кодирует место одной аминокислоты в полипептид-ной цепи.
Что касается свойств генетического кода, то их несколько. Код является неперекрывающимся, линейным, не имеющим пунктуации («запятых»), обес-печивающей свободные пространства между кодонами, и вырожденным.
Неперекрываемость генетического кода означает, что любое азотистое основа-ние является членом только одного кодона. Ни одно азотистое основание не входит одновременно в два кодона. Например, в последовательности ААГАУ-АГЦА имеется три кодона ААГ, АУА, ГЦА, но не перекрывающиеся кодоны ААГ, АГА, ГАУ и т. д.
Код является линейным по той причине, что молекулы ДНК являются линей-ными полимерами. Кодоны в виде триплетов азотистых оснований следуют вдоль молекулы ДНК без перерывов в направлении от 5'-конп:а к 3'-концу, причем между кодонами нет свободных пространств, нет пунктуации.
Вырожденность кода определяется тем, что место в полипептиде одной и той же аминокислоты может кодироваться одновременно несколькими кодонами, но не совместно, а раздельно. Это распространяется на все аминокислоты, кро-ме метионина и триптофана, которым соответствуют одиночные кодоны.

14.

15.

16.Регуляция экспрессии генов в процессе биосинтеза белка у прокариот (схема Жак

В каждый момент в клетке работает 20% генов, а не все. В первые механизм включения и выключения генов изучили на бактерии кишечной палочке Жакоб и Моно. В 1966г они сформулировали гипотезу автоматической регуляции синтеза белков по пронципу обратной связи. В эксперименте они доказал, что в прокариотической клетке происходит автоматическая регуляция работы генов и синтеза белков. Схема Жакоба – Моно. Согласно их гипотезы считывание информации со структурных генов происходит блоками, т.е единицей транскрипции явл блок оперон. В его состав входят несколько структурных генов , который участвует в первом каскаде реакций. В их главе стоит участок ДНК оператор, отделяющий от структурных генов промотор, к кот прикрепляется в процессе транскрипции полимеразы. В клетке еще есть регуляторные гены, находятся вне оперона, которые контролирует синтез белка-репрессора. У него роль включения и выключения генов, связываясь с оператором оперона. Свободный белок-репрессор блокирует оператор, препяствую прохождения полимеразы к структурным генам. Репрессию с оператора снимает индуктор, которым служит метаболит, поступивший в клетку (не любой, а тот, для расщепления которого нужны ферменты, закодированные данным опероном). Метаболит притягивает на себя белок-репрессор, образуя с ним не активный комплекс. В результате снимается блокада с оператора и открывается путь для полимеразы.

17.Установлено, что у прокариот и эукариот нуклеиновые кислоты содержатся не только в хромосомах, но и в некоторых цитоплазматических структурах. Наследственность, связанная с этой ДНК, называется внехромосомной. У прокариот цитоплазматическими носителями наследственной информации являются плазмиды — генетические элементы, которые существуют в бактериальной клетке обособленно от хромосом. Они представляют собой участки молекулы ДНК длиной от 2250 (криптические плазмиды) до 4 000 000 нуклеотидных пар (плазмиды Z7'). Плазмидная ДНК может иметь форму закрытого или открытого кольца. Например, ДНК плазмид F и Р представляет собой двухцепочечные ковалентно закрытые кольцевые молекулы. Плазмиды подразделяются на три группы: конъюгативные, неконъюгативные и криптические. Конъюгативные плазмиды способны индуцировать конъюгацию бактерий и осуществлять перенос ДНК из клеток-доноров в клеткиреципиенты. К ним относятся такие плазмиды, как F, F , FBI, Col/6, V, В и др. Неконъюгативные плазмиды не способны переносить ДНК и делать клетки генетическими донорами. Перенос же их самих осуществляется конъюгативными плазмидами. Криптические плазмиды (от гр. криптос — тайный, скрытый) — очень мелкие, мало изученные плазмиды. Плазмиды способны бесконечно долго воспроизводиться, находясь в автономном состоянии. Они не имеют существенного значения для роста и размножения бактерий. Тем не менее благодаря плазмидам бактерии обладают рядом важных для их жизни свойств. Например, половой фактор, или фактор фертильности, F контролирует способность кишечной палочки к воспроизводству и генетической рекомбинации; плазмиды R обеспечивают резистентность целого ряда бактерий к антибиотикам; Со1-фактор детерминирует образование колицинов — белков, убивающих собственный или близкий вид бактерий. Установлено, что некоторые плазмиды могут существовать в клетке в двух альтернативных состояних: автономном цитоплазматическом и интегрированном (включенном) в хромосому как ее фрагмент. Такие плазмиды называются эписомами. Они бывают вирусного и невирусного происхождения. Примером невирусной эписомы у бактерий является половой фактор F. Включаясь в хромосому, он приобретает несколько иные свойства по сравнению с теми, которые его характеризовали как цитоплазматическую структуру, за что он и получил другое название — фактор Hfr. Как указывалось выше, умеренный фаг, попадая в клетку бактерии, может существовать в ней также в двух формах: либо в виде фрагмента хромосомы, либо в свободной цитоплазматической форме. К примеру, хромосома фага к после внедрения в клетку превращается в эписому вирусного происхождения. В бактериальной хромосоме она принимает форму профага. При изменении условий этот профаг покидает хромосому бактерии и превращается в автономную плазмиду. Последняя размножается, и бактериальная клетка гибнет. Особенностью плазмид является их способность к гибридизации: плазмиды даже из разных клеток могут легко объединяться и образовывать гибридную молекулу. Последняя свободно перемещается из одной клетки в другую, что успешно используется в генной инженерии. Генная система эукариот (идиотип) представлена генотипом (ядерным наследственным аппаратом) и плазмотипом (цитоплазматическими наследственными факторами). Плазмотип состоит из наследственного аппарата пластид (пластом), митохондрий (хондриом) и ДНК, локализующейся в гиалоплазме (цитоплазмон). Единицей наследственности в генотипе является ген, в плазмотипе — плазмоген. У эукариот цитоплазматические наследственные структуры имеют сложное строение и являются автономными клеточными системами с определенным запасом наследственной информации. Они могут выполнять функции носителей наследственной информации лишь при наличии собственной ДНК с необходимым набором генов и собственной белоксинтезирующей системы. В клетках эукариот это свойственно митохондриям и пластидам. Они принимают участие в обмене веществ и энергии и способны к удвоению. Однако при делении носители внеядерной наследственности в отличие от хромосом распределяются в дочерние клетки случайно и неравномерно. В хлоропластах ДНК была обнаружена в 1963 г., а через год была выделена и из митохондрий. По нуклеотидному составу хлоропластная (хлп) и митохондриальная (мтх) ДНК отличаются от хромосомной и в покоящейся клетке составляют примерно 0,1 % всей ее ДНК. В оплодотворенных и делящихся клетках содержание их значительно возрастает, поскольку увеличивается количество митохондрий. Молекулы ДНКхлп и ДНКмтх имеют двухцепочечную кольцевую структуру и поэтому похожи на хромосомную ДНК прокариот. Такое структурное сходство может свидетельствовать о том, что митохондриальная и хлоропластная ДНК являются остатком хромосом древних бактерий. Это согласуется с теорией клеточного симбиоза Л. Маргулис, которая утверждает, что в процессе эволюции бактерии объединились в сложную структуру, вступили в симбиотические взаимоотношения друг с другом и дали начало эукариотической клетке. Длина молекулы ДНКХЛП составляет 35—40 мкм. Эта молекула несет генетическую информацию для синтеза р-РНК хлоропластов и ряда рибосомных белков. В растительной клетке насчитывается около 10 пластид, и каждая из них содержит 8—10 копий хлоропластной ДНК длиной до 132 000 нуклеотидных пар. Содержание молекул ДНКмтх в клетках варьирует от 50 до 2000. Каждая из них в длину не превышает 4—5 мкм и включает приблизительно по 15 000 пар азотистых оснований. Этого количества достаточно для кодирования 5000 аминокислот и соответственно 30 белков. Но так как ДНКмтх кодирует еще р-РНК и т-РНК, то очевидно, что заложенной в ней информации хватит лишь для 20 белков. Геномы митохондрий и пластид отделены друг от друга топологически. Нет у них и общих нуклеотидных последовательностей. Поэтому и-РНК одной системы не может транслироваться в другой. Различные у митохондрий и пластид также белоксинтезирующие системы: размеры и структура их рибосом неодинаковые. В 70-е годы установлено также, что имеются существенные различия и в системах хромосомного и митохондриального кодирования. Однако генетическая автономия митохондрий и пластид не абсолютна. Во-первых, активность митохондриальных и пластидных геномов контролируется ядром — в отсутствие его количество митохондрий и пластид не увеличивается. Во-вторых, структурные белки митохондрий и пластид кодируются как их собственными, так и ядерными генами. Например, часть митохондриальных белков кодируется ДНК ядра и синтезируется в цитоплазме, а затем их молекулы проникают в митохондрии. Примерно только 20 % белков внутренней митохондриальной мембраны синтезируется в митохондриях, а 80 % — на рибосомах цитоплазмы. При изменении структуры ядерных генов, контролирующих синтез митохондриальных и пластидных белков, нарушается строение всех митохондрий и пластид. Если же мутация возникает в генах самих этих структур, то она проявляется лишь там, где возникла. В результате образуются клетки, в которых наряду с нормальными цитоплазматическими структурами появляются и мутантные. Важной особенностью цитоплазматических структур является то, что наследование признаков, связанных с ними, осуществляется в основном по материнской линии.

Химический состав хромосом

Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс—хроматин, получивший свое название за способность окрашиваться основными красителями.

Как было доказано многочисленными исследованиями (см. § 3.2), ДНК является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе биологическую информацию — программу развития клетки, организма, записанную с помощью особого кода. Количество ДНК в ядрах клеток организма данного вида постоянно и пропорционально их плоидности. В диплоидных соматических клетках организма ее вдвое больше, чем в гаметах. Увеличение числа хромосомных наборов в полипловдных клетках сопровождается пропорциональным увеличением количества ДНК в них.

Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки.

Гистоны представлены пятью фракциями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах (см. разд. 3.5.2.2).

Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.

РНК хромосом представлена отчасти продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза. Некоторым фракциям свойственна регуляторная функция.

Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» списывания информации с молекулы ДНК.

Массовые соотношения ДНК: гистоны: негистоновые белки: РНК: липиды — равны 1:1:(0,2—0,5):(0,1—0,15):(0,01—-0,03). Другие компоненты встречаются в незначительном количестве.

Уровни компактизации ДНП – это организация напоминает нить по форме нитку бус. Состоит из дискретных единиц получивших название нклеосом. Нуклеосома соединена м/у собой в сплошную нить диаметро 10нм . Нуклеосома представляют комплекс гистонов и ДНК. Гистоны образуют блок напаменяющий шайбу называется октомером. На октоме накручена ДНК длиной= 140нм переходит в свободный участок называется линкером. Линкер около 70нм и содержит м/у собой две соседние нуклеосомы. Нуклеосомная нить самая элементарная укладка ДНК в хромосоме

19.Свойства метафазных хромосом эукариот. А. Схематическое изображение двух копий, или хроматид, дуплицированной хромосомы. Две хроматиды удерживаются вместе центромерой, которая в данном случае находится примерно в центре хромосомы (метацентрическая хромосома). Б. Электронная микрофотография субметацентрической хромосомы; увеличение 30000. В. Фотография некоторых хромосом человека, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Четко видно, что хромосомы скручены.

У хромосомы имеется перетяжка, называемая центромерой. Положение центромеры для каждой хромосомы строго определено. С центромерой связаны специфические хромосомные функции; это последняя точка, соединяющая плечи сестринских хроматид перед полным расхождением при митотическом или II мейотическом делении. Сами плечи имеют вид отдельных образований задолго до расхождения центромер в анафазе.

Различие между областью центромеры и плечами хромосом становится очевидным после обработки определенными красителями. После окрашивания центромеры выглядят более плотными и компактными по сравнению с плечами (рис. I.7). Такие плотные, интенсивно окрашиваемые хромосомные области называются гетерохроматиновыми. Гетерохроматин центромеры можно наблюдать после окрашивания даже в плохо различимых интерфазных хромосомах. Другие, негетерохроматиновые области хромосом принято называть эухроматиновыми. Эухроматиновые области окрашиваются гораздо менее интенсивно, чем гетерохроматиновые.

Концевые участки хромосом называются теломерами. Часто они тоже гетерохроматиновые. Нередко (но не всегда) в митотических хромосомах можно наблюдать небольшие перетяжки, называемые районом ядрышкового организатора (ЯОР). В мейотических хромосомах они имеют вид утолщений. В пределах данного вида районы ядрышковых организаторов встречаются на одной или нескольких специфических хромосомах (и их гомологах), и если они есть, то всегда находятся в одном и том же месте. В в1-фазе клеточного цикла некоторые ядрышковые организаторы начинают разрастаться; если их больше, чем один, то такие разросшиеся области объединяются в одну или несколько больших, почти сферических структур — нуклеолей. Часто в интерфазном ядре только нуклеоли и можно видеть, но с переходом в профазу они постепенно исчезают.

Применение специальных красителей и особых способов окрашивания, разработанных в последние несколько десятилетий, дало возможность выявить достаточно тонкие детали в структуре прометафазных и метафазных хромосом, даже если это довольно мелкие хромосомы млекопитающих. Итак, после окрашивания в каждой хромосоме можно наблюдать уникальное чередование светлых и темных полос; гомологичные хромосомы имеют идентичный рисунок:

20.Кариотип – называют совокупность хромосом характерную для соматической клетки конкретного биологического вида. Кариотип- это диплоидный набор хромосом, обладает видовой спецефичностью. Для каждого определенного вида характерно определенное число хромосом. У человека 46, шимпанзе 40. Отличаются по форме и размерам. Кариотип- генетический паспорт. Для всех видов каротип характеризуется 4 свойствами (Правило хромосом) 1. видовое постоянство числа – у всех особей принадлежащих к одному биологическому виду число хромосом одинаково. 2 правило парности – в диплойдных наборах хромосомы образуют индентичные пары, каждая из которых одна хромосома отцовская, а другая материнская. 3) индивидуальные хромосомы каждой пары отличаются от другой пары по форме, размерам и содержанию информации 4) непрерывность хромосом: обладает способность к делению и при делению клетки давать свою копию.

Показания и контингента лиц для проведения хромосомного анализа и кариотипирования:
- множественные пороки развития,
- лица с выявленной патологией полового хроматина,
- олигофрения в сочетании с чертами внутриутробного дисгенеза или врожденными пороками развития,
- олигофрения в сочетании с выраженным физическим недоразвитием, в особенности с гипогенитализмом,
- выраженная задержка физического развития в сочетании с микроаномалиями развития,

- женщины, страдающие повторными спонтанными абортами,
- женщины, имеющие в анамнезе мертворожденных детей или детей с пороками развития; обследованию подлежат также и их мужья,
- супруги, умершие дети которых имели множественные пороки развития или подтвержденные хромосомные синдромы,
- сибсы больных (пробандов) и другие родственники детородного возраста в случае выявления структурной перестройки у пробанда или носительства хромосомной аномалии у его родителей,
- у плода при беременности с высоким риском рождения ребенка с хромосомной патологией,
- нарушение репродуктивной функции неясного генеза (бесплодный брак, первичная аменорея и др.),
- лица, имеющие профессиональные вредности, для оценки мутагенных влияний (химических, радиационных, физических),
- лейкозы.

21.

22.Рутинный : краситель – Ацетокармин, ацетоорсеин.

               Участки хромосом: равномерная окраска по всей длине хромосомы.

                Основное применение: Групповая идентификация хромосом.

Дифференциальные методы :

С- метод.

Краситель: гимза, орсеин, кармин.

Участки хромосом: Гетерохроматин

Основное применение: Выявление структурного гетерохроматина

G-метод.

Краситель: гимза

Участки хр.: П-сегменты

Основное применение: Индивидуализация метафазных хромосом и их фрагментов( сегментов)

Ag-метод.

Краситель: Нитрат серебра

Участки хр.: Ядрышкообразующие районы

Основное применение: Выявление полиморфизма хромосом по ядрышкообразующим районам

Q-метод.

Краситель: Акрихин, Аркихиниприт, пропилакрихин

Участки хромосом: гетерохроматиновые районы( q сегменты)

Основное применение: Индивидуализация метафазных хромосом, определение Х и У полового хроматина.

FISH-метод.

Флуорохромы

Каждая хромосома окрашивается своим собственным цветом

Индивидуализация каждой хромосомы. Выявление хромосомных перестроек.

23. Крупные хромосомы человека: А1-3, В4-5.

А1: крупная хромосома, метацентрическая( одинак. плечи), имеется вторичная перетяжка в gh.

А2: Крупная субметацентрическая хромосома, вторичных перетяжек не имеет.

А3: крупная метацентрическая хромосома, без вторичных перетяжек.

В4: крупная субметацентрическая хромосома.

В5: крупная субметацентрическая хромосома.

24.Средние хромосомы: С76-12,Д13-15.

С1-7: средние хромосомы, субметацентрические. Вторичная перетяжка имеется только у С9.(gh)

D13-15: средние хромосомы акроцентрические. Имеются вторичные перетяжки у всех (ph), и спутники( ядрышковые организаторы.

25.Мелкие хромосомы: Е16-18, Ф19-20, Ж21-22.

Е: мелкие, субметацентрические, вторичная перетяжка только у Е16 (gh)

Ф: мелкие метацентрические.

Ж: мелкие акроцентрические, имеют вторичные перетяжки(ph), и спутники( ядрышковые организвторы)

26. Х-хромосома: средняя, субметацентрическая без вторичных перетяжек.

У-хромосома: мелкая, акроцентрическая, со вторичной перетяжкой(gh)

27.Определение Х- и Y-хроматина часто называют методом экспресс-диагностики пола. Исследуют клетки слизистой оболочки ротовой полости, вагинального эпителия или волосяной луковицы. В ядрах клеток женщин в диплоидном наборе присутствуют две хромосомы Х, одна из которых полностью инактивирована (спирализована, плотно упакована) уже на ранних этапах эмбрионального развития и видна в виде глыбки гетерохроматина, прикреплённого к оболочке ядра. Инактивированная хромосома Х называется половым хроматином или тельцем Барра. Для выявления полового Х-хро-матина (тельца Барра) в ядрах клеток мазки окрашивают ацетарсеином и препараты просматривают с помощью обычного светового микроскопа. В норме у женщин обнаруживают одну глыбку Х-хроматина, а у мужчин её нет.

Для выявления мужского Y-полового хроматина (F-тельце) мазки окрашивают акрихином и просматривают с помощью люминисцентного микроскопа. Y-хроматин выявляют в виде сильно светящейся точки, по величине и интенсивности свечения отличающейся от остальных хромоцентров. Он обнаруживается в ядрах клеток мужского организма.

Отсутствие тельца Барра у женщин свидетельствует о хромосомном заболевании — синдроме Шерешевского-Тернера (кариотип 45, Х0). Присутствие у мужчин тельца Барра свидетельствует о синдроме Кляйнфелтера (кариотип 47, ХХY).

Определение Х- и Y-хроматина — скрининговый метод, окончательный диагноз хромосомной болезни ставят только после исследования кариотипа.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ

Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание жизненного цикла клетки(клеточного цикла). Клеточный цикл — это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.

Важным компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл —комплекс взаимосвязанных и согласованных во времени событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении (рис. 2.10).

Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от 10 до 50 ч. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов. У млекопитающих время митоза составляет 1—1,5 ч, 02-периода интерфазы —2—5 ч, S-периода интерфазы — 6—10 ч.

Биологическое значение митотического цикла состоит в том, что он обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений, образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Таким образом, цикл является всеобщим механизмом воспроизведения клеточной организации эукариотического типа в индивидуальном развитии.

Главные события митотического цикла заключаются в редупликации (самоудвоении) наследственного материала материнской клетки и вравномерном распределении этого материала между дочерними клетками. Указанным событиям сопутствуют закономерные изменения химической и морфологической организации хромосом — ядерных структур, в которых сосредоточено более 90% генетического материала эукари-отической клетки (основная часть внеядерной ДНК животной клетки находится в митохондриях).

Хромосомы во взаимодействии с внехромосомными механизмами обеспечивают: а) хранение генетической информации, б) использование этой информации для создания и поддержания клеточной организации, в) регуляцию считывания наследственной информации, г) удвоение (самокопирование) генетического материала, д) передачу его от материнской клетки дочерним. Химическая организация и строение хромосом описаны в разд. 3.5.2.

28.   

29.   

30.   

31.   

32.   

33.   Процесс митоза обеспечивает строго равномерное распределение хромосом между двумя дочерними ядрами, так что в многоклеточном организме все клетки имеют совершенно одинаковые (по числу и по характеру) наборы хромосом. Хромосомы содержат генетическую информацию, закодированную в ДНК, и поэтому регулярный, упорядоченный митотический процесс обеспечивает также полную передачу всей информации каждому из дочерних ядер; в результате каждая клетка обладает всей генетической информацией, необходимой для развития всех признаков организма. В связи с этим становится понятно, почему одна клетка, взятая из полностью дифференцированного взрослого растения, может при подходящих условиях развиться в целое растение. Мы описали митоз в диплоидной клетке, но этот процесс протекает сходным образом и в гаплоидных клетках, например в клетках гаметофитного поколения растений.

34.