ДНК как форма записи генетической информации

Содержание

Введение

1. Структура ДНК

2. ДНК –  как форма записи генетической информации

3. Декодирование генетической информации

4. Синтеза белка

5. Передача генетической информации

Заключение

Список  использованной литературы 
 

 

        Введение

       Присматриваясь к  окружающему нас миру, мы отмечаем великое разнообразие живых существ  – от растений до животных. Под этим кажущимся разнообразием в действительности скрывается удивительное единство живых  клеток – элементов, из которых собран любой организм и взаимодействием  которых определяется  его гармоничное  существование. С позиции вида сходство между отдельными особями велико, и все-таки не существует двух абсолютно  идентичных организмов (не считая однояйцовых  близнецов).

       В 1944 г. работы Эвери, Мак-Леода и Мак-Карти определили химическую природу генов: они состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Через 10 лет Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель физической структуры молекулы ДНК. На протяжении второй половины XX века нуклеиновые кислоты были важнейшим объектом исследований химии и биологии. Химики создали методы установления детальной химической структуры нуклеиновых кислот, их искусственного синтеза, изучили их поведение при разных химических воздействиях. Биохимики направили свои усилия на выяснение многочисленных аспектов функционирования нуклеиновых кислот в живых организмах или выделенных из них системах. Было выяснено, что строение молекул нуклеиновых кислот специально приспособлено для выполнения некоторых основополагающих биологических функций. Одновременно с этими открытиями ученые пытались проанализировать и  молекулы, которые синтезируются в клетках под контролем генов. Ген хранит информацию для синтеза белка, необходимого для успешного осуществления в клетке определенной реакции. В 1968 году, был разгадан сложный механизм расшифровки информации, заключенной в ДНК, и ее перевода в форму белка. В конце концов, во многом благодаря трудам Маршалла Уоррена Ниренберга, был открыт закон соответствия между ДНК и белками – генетический код.

1. Структура ДНК

       Соединения в ядре клеток с кислотными свойствами и с еще большей молекулярной массой, чем белки были обнаружены швейцарским биохимиком Иоганном Фридрихом Мишером  в 1869 году. А через 20 лет Рихард Альтман ввел для них термин нуклеиновая кислота, от латинского слова «нуклеус» - ядро. Так же, как и белки, нуклеиновые кислоты являются полимерами. Мономерами их служат нуклеотиды, в связи с чем нуклеиновые кислоты можно еще назвать полинуклеотидами.

       Нуклеиновые кислоты были найдены в клетках  всех организмов, начиная от простейших и кончая высшими. Самое удивительное, что химический состав, структура  и основные свойства этих веществ  оказались сходными у разнообразных  живых организмов. Но если в построении белков принимают участие около 20 видов аминокислот, то разных нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, всего четыре.

       В живых клетках содержится два  типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Как  ДНК, так и РНК несут в себе нуклеотиды – структурные звенья нуклеиновых кислот. В состав нуклеотида - структурного звена нуклеиновых кислот - входят три составные части:

       Азотистое основание - пиримидиновое или пуриновое. В нуклеиновых кислотах содержатся основания 4-х разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два – к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает молекулам основные свойства.

       Моносахарид - рибоза или 2-дезоксирибоза. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дизоксирибозу.

       Остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится фосфорная кислота.

       Нуклеотиды, составляющие каждую из цепей ДНК, помимо остатка фосфорной кислоты включают одно из четырех азотистых оснований: аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г); пятиатомный сахар пентозу - дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама. В каждой цепи нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Объединяются две цепи в одну молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи.

       Макромолекулярная модель ДНК была создана 1953 г. Уотсоном и Криком. Они, опираясь на известные данные о конформаци нуклеозидных остатков, о характере межнуклеотидной связи в ДНК и закономерности нуклеотидного состава ДНК, расшифровали рентгенограммы паракристаллической формы ДНК [так называемой В-формы, образующейся при влажности выше 80% и при высокой концентрации противоионов (Li+) в образце]. Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой правильную спираль, образованную двумя полидезоксирибонуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали практически постоянен вдоль всей ее длины и равен 1,8 нм (18 А).

      

Рис.1 Макромолекулярная структура ДНК.

а) Модель Уотсона — Крика; б) Параметры спиралей В-, С- и Т-форм ДНК (проекции перпендикулярно оси спирали); в) Поперечный разрез спирали ДНК в В-форме (заштрихованные прямоугольники изображают пары оснований); г) Параметры спирали ДНК в А-форме;         д) Поперечный разрез спирали ДНК в А-форме.

       Длина витка спирали, который соответствует  ее периоду идентичности, составляет 3,37 нм (33,7 А). На один виток спирали  приходится 10 остатков оснований в  одной цепи. Расстояние между плоскостями  оснований равно, таким образом, примерно 0,34 нм (3,4 А). Плоскости остатков оснований перпендикулярны длинной  оси спирали. Плоскости углеводных остатков несколько отклоняются  от этой оси (первоначально Уотсон и .Крик предположили, что они параллельны ей).

       Из  рисунка 1 видно, что углеводофосфатный остов молекулы обращен наружу. Спираль закручена таким образом, что на ее поверхности можно выделить две различные по размерам бороздки (их часто называют также желобками) — большую, шириной примерно 2,2 нм (22 А), и малую —шириной около 1,2 нм (12А). Спираль — правовращающая. Полидезоксирибонуклеотидные цепи в ней антипараллельны: это означает, что если мы будем двигаться вдоль длинной оси спирали от одного ее конца к другому, то в одной цепи мы будем проходить фосфодиэфирные связи в направлении 3'à5', а в другой — в направлении 5'à3'. Иными словами, на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены     5'-конец одной и 3'-конец другой цепи.

       Регулярность  спирали требует, чтобы против остатка  пуринового основания в одной  цепи находился остаток пиримидинового основания в другой цепи. Как уже  подчеркивалось, это требование реализуется  в виде принципа образования комплементарных  пар оснований, т. е. остаткам аденина и гуанина в одной цепи соответствуют остатки тимина и цитозина в другой цепи (и наоборот).

       Таким образом, последовательность нуклеотидов  в одной цепи молекулы ДНК предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи. Этот принцип является главным следствием модели Уотсона и Крика, поскольку он в удивительно простых химических терминах объясняет основное функциональное назначение ДНК — быть хранителем генетической информации.

       Заканчивая  рассмотрение модели Уотсона и Крика, остается добавить, что соседние пары остатков оснований в ДНК, находящейся  в В-форме, повернуты друг относительно друга на 36° (угол между прямыми, соединяющими атомы С¹' в соседних комплементарных парах). 

 

2. ДНК –  как форма записи генетической информации

       Организм каждого человека – индивидуален. Именно с этим связана тканевая несовместимость, проявляющаяся, в частности, при пересадке органов и тканей от одного организма другому. «Чужая» кожа, например, со своими особенными молекулами вступает в нежелательные реакции с организмом «хозяина». Она вызывает появление белков – антител – и в результате не «приживается». Аналогичное явление наблюдается и при пересадке отдельных органов.

       По-иному  проходят эти процессы у однояйцевых  близнецов, которые развиваются  из двух клеток, образовавшихся из одной  оплодотворенной яйцеклетки – зиготы. Такие близнецы всегда однополы и  внешне поразительно похожи друг на друга. У однояйцевых близнецов пересадка  тканей и органов вполне возможна, никакого отторжения их не происходит. Иначе и быть не может. Один и тот  же комплекс всех наследственных факторов не провоцирует появления антител  в их организмах.

       Эти и многие другие факты показали, что программирование синтеза белков – главное свойство ДНК. Однако, прежде чем прийти к такому заключению, необходимо было доказать, что именно ДНК – носитель генетической информации. Первое подтверждение тому было получено при изучении явлений трансформации.

       Явление это было открыто в опытах с  пневмококками, то есть с бактериями, вызывающими воспаление легких.  Известны две формы 

пневмококков: А-форма с полисахаридной капсулой и Б-форма без капсулы. Оба эти  признака наследственны.

       Пневмококки А-формы при заражении ими мышей  вызывают воспаление легких, от которого мыши погибают. Б-форма для них  безвредна.

       В 1928 году английский бактериолог Ф.Гриффитс заражал мышей смесью, состоящей из убитых нагреванием пневмококков А-формы и живых пневмококков Б-формы. Ученый предполагал, что мыши не заболеют. Но вопреки ожиданиям подопытные животные погибли. Ф. Гриффитсу удалось выделить из тканей погибших мышей пневмококки. Все они оказались капсулированными, то есть А-формы. Следовательно, убитая форма каким-то образом передавала свои свойства живым клеткам Б-формы. Но как? С помощью какого именно вещества: полисахарида, из которого состоит капсула, белка или ДНК?

       От  решения этого вопроса зависело многое, так как, установив вещество, передающее наследственный признак  – образование капсулы, можно  было получить нужный ответ. Однако сделать  это не удавалось довольно долго. Лишь спустя 16 лет после опытов Ф. Гриффитса, в 1944 году, американский ученый А. Эвери с сотрудниками, поставив ряд четких экспериментов, сумел с полным обоснованием доказать, что полисахарид и белок не имеют никакого отношения к передаче наследственных свойств пневмококка А-формы.

       В процессе этих экспериментов с помощью  специального фермента растворили полисахаридную капсулу убитых пневмококков А-формы  и проверили, продолжают ли остатки  клетки формы А передавать наследственную информацию клеткам формы Б. Оказалось, что продолжают. Стало ясно, что полисахарид как источник генетической информации отпадает.

       Далее ученые при помощи других ферментов  удалили из остатков пневмококков А белки и снова проверили их действие. Передача наследственной информации от А к Б продолжалась. Следовательно, и белок ни при чем.

       Таким образом, методом исключения было установлено, что наследственную информацию в  клетке хранит и передает молекула ДНК.  И действительно, когда разрушили  ДНК, образование капсульных форм А из бескапсульных Б прекратилась.

       Явление преобразования, то есть наследственного  изменения свойств одной формы  бактерий под воздействием веществ другой формы, было названо трансформацией.  Вещество же, вызывающее трансформацию, получило название трансформирующего агента. Им, как было установлено, служит ДНК. 

 

3. Декодирование генетической информации

       Полимерные  цепи белков состоят из мономерных звеньев – аминокислот и последовательность расположения их в белковой молекуле строго специфична. В связи с этим очевидно, Что в ДНК должна храниться информация не только о качественном и количественном составе аминокислот в молекуле данного белка, но и о последовательности их расположения. Соответственно каким-то образом должны быть закодированы в полинуклеотидной цепи ДНК каждая аминокислота и белок в целом.

       Зная, что аминокислот всего 20, а нуклеотидов  – 4, легко представить себе, что 4 нуклеотидов явно недостаточно для  кодирования 20 аминокислот. Недостаточно также и кода из двух нуклеотидов  на каждую кислоту (4 = 16). Для кодирования 20 аминокислот необходимы группы по меньшей мере из трех нуклеотидов. Подобная группа, несущая информацию об одной аминокислоте в молекуле белка, называется кодоном. Весь же участок ДНК, ответственный за синтез одной молекулы белка, в целом как раз и есть ген. Значит, в гене столько кодонов, сколько аминокислот входит в состав  данного синтезируемого белка.

       Синтез  белков происходит на рибосомах. ДНК  же локализована в ядре, в его  хромосомах. Возникает вопрос: каким образом генетическая информация из ядра переносится в цитоплазму на рибосому?  Предположить, что ДНК сама поступает через поры ядерной мембраны, нельзя: Ведь ДНК ядер обладает огромной молекулярной массой и в связи с этим просто не может проникнуть через крошечные поры ядерной мембраны. Поэтому должны быть какие-то более мелкие молекулы – посредники, передающие генетическую информацию от ДНК к белкам.  А.Н. Белозерский и              А.Г. Спирин выдвинули соображение, что эту роль играют молекулы РНК.