Генетика и самовоспроизводство жизни

РНК отличается от ДНК тем, что вместо дезоксирибозы содержит рибозу (речь идет об одной гидроксильной  группе ОН каждого сахарного кольца), а вместо азотистого основания тимина содержит урацил.

Третья часть процесса воспроизводства - трансляция - это синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки - рибосомах, куда доставляет аминокислоты транспортная РНК.

Основной механизм, с помощью  которого молекулярная биология объясняет  передачу и переработку генетической информации, по существу, является петлей обратной связи. ДНК, содержащаяся в  линейно-упорядоченном виде всю  информацию, необходимую для синтеза  различных протеинов (без которых  невозможно строительство и функционирование клетки), участвует в последовательности реакций, в ходе которых информация кодируется в виде определенной последовательности различных протеинов.

Некоторые ферменты осуществляют обратную связь среди синтезированных  протеинов, активируя и регулируя  не только стадии превращений, но и  автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать генетическую информацию со скоростью размножения  клеток.

Как показали исследования по молекулярной биологии последних  десятилетий, петли положительной  обратной связи (вместе с отрицательной  обратной связью и более сложными процессами взаимного катализа) составляют самую основу жизни. Именно такие  процессы позволяют объяснить, каким  образом совершается переход  от крохотных комочков ДНК к сложным  живым организмам.

Как получаются именно разные белки и клетки? Французскими учеными  Ф. Жакобом и Ж. Моно предложена следующая  гипотеза. Ген-регулятор производит молекулу-репрессор. Она выключает, когда нужно, оператор, который размещается  на одном конце оперона - группы генов, и в результате данные ферменты не производятся.

 

3. Развитие генетики

 

Генетика прошла в своем  развитии семь этапов.

1) Г. Мендель (1822 - 1884) открыл  законы наследственности. Скрещивая  гладкий и морщинистый сорта  гороха, он получил в первом  поколении только гладкие семена, а во втором поколении - ? морщинистых  семян.

И он догадался: в зародышевую  клетку поступает два наследственных задатка - от каждого из родителей. Если они не одинаковые, то у гибрида  проявляется один доминантный (преобладающий) признак - гладкость. Рецессивный (уступающий) остается как бы в скрытом состоянии. В следующем поколении признаки распределятся в соотношении  три к одному.

«Когда австрийский монах  Грегор Мендель развлекался наблюдением  результатов скрещивания красно- и белоцветущего гороха в монастырском саду, даже наиболее дальновидные его  современники не могли вообразить себе всех последствий его находок», - справедливо писал Г. Селье.

Результаты исследований Г. Менделя, опубликованные в 1865 г., не обратили на себя внимания и были переоткрыты  после 1900 г.

2) А. Вейсман показал,  что половые клетки обособлены  от остального организма и  поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические  ткани.

Несмотря на убедительные опыты А. Вейсмана, которые было легко  проверить, победившие в советской  биологии сторонники Т.Д. Лысенко долго  отрицали генетику, называя ее вейсманизмом-морганизмом. В этом случае идеология победила науку, и многие ученые, как, например, Н.И. Вавилов, были репрессированы.

3) Гуго де Фриз (1848 - 1935) открыл существование наследуемых  мутаций, составляющих основу  дискретной изменчивости. Он предположил,  что новые виды возникали вследствие  мутаций.

Понятие мутации в генетике аналогично понятию флуктуации в  синергетике.

Мутация - это  частичное изменение структуры  гена.

Конечный ее эффект - изменение  свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а  накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменениями температуры, наконец, могут быть просто случайными.

«Согласно нашей аналогии, мутации, очевидно, представляют собой  опечатки, неизбежно появляющиеся при  каждом новом переиздании Книги  Жизни. Подобно тому, как в наших  книгах опечатки чаще всего приводят к бессмыслице и крайне редко  улучшают текст, так и мутации  почти всегда приносят вред; чаще всего  они просто убивают организм или  клетку на очень ранних стадиях, и  мы даже не замечаем, что они вообще существовали на свете.

С другой стороны, тот факт, что мутация летальна, сам по себе исключает опечатку из последующих  изданий, ибо содержащая эту мутацию  клетка никогда не произведет себе подобных. В иных случаях мутация  может оказаться вредной, но не летальной. Она появится и в новых клетках, но есть надежда, что такие вредные  мутации в последующих поколениях исчезнут в результате естественного  отбора.

Изредка все же считается, что мутация оказывает благоприятное  действие. Она уже не исчезает, поскольку  создает организму большие преимущества в борьбе за существование. В конце  концов, эта мутация будет постоянно  включаться в Книгу Жизни данного  вида организмов. Так протекает процесс  эволюции».

4) Т. Морган (1866 - 1945) создал  хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому  биологическому виду присуще  свое строго определенное число  хромосом.

5) Г. Меллер в 1927 г.  установил, что генотип может  изменяться под действием рентгеновских  лучей. Отсюда берут свое начало  индуцированные мутации и то, что впоследствии было названо  генетической инженерией с ее  грандиозными возможностями и  опасностями вмешательства в  генетический механизм.

6) Дж. Бидл и Э. Татум  в 1941 г. выявили генетическую  основу процессов биосинтеза.

7) Д. Уотсон и Ф. Крик  предложили модель молекулярной  структуры ДНК и механизма  ее репликации.

То, что именно ДНК - носитель наследственной информации, выяснилось в середине 1940-х гг., когда после  перенесения ДНК одного штамма бактерий в другой в нем стаи появляться бактерии штамма, чья ДНК была взята.

Двадцатилетний Уотсон, приехав  из США В Кембридж в 1953 г., должен был заниматься изучением структуры  белка. Он подолгу беседовал с  Ф. Криком о появившихся только что  улучшенных рентгенограммах ДНК  и правилах спаривания ее оснований. Им удалось расшифровать ДНК за несколько  недель.

Чуть позже был открыт триплетный перекрывающийся (как азбука Морзе) генетический код, универсальный  для всех организмов, и ядро стало  пониматься как орган управления, содержащий всю информацию о клетке.

Продолжая аналогию ДНК с  книгой, можно сказать, что аминокислота - это слово, то бактерия - книга, а  человек - огромная энциклопедия.

В заключение несколько слов о вирусах, которые в тысячу раз  больше обычных молекул белка, не питаются и не растут, а воспроизводятся  только в клетке хозяина. Изучение их как раз хорошо демонстрирует  значение аппарата наследственности.

Вирус имеет головку и  спираль с хвостом. Спиральная пружина  сжимается и, подобно игле, проталкивает хвост внутрь клетки. Затем через  трубку впрыскивается ДНК, и часто  уже через несколько минут  клетка разрывается, освобождая сотню  и больше новых вирусных частиц, готовых к заражению новых  клеток.

Процесс заражения сходен с государственным переворотом. Вирус как бы совершает революцию  в клетке.

Если в организме нормально  функционирует иммунная система, то зараженные клетки уничтожаются действующими в организме защитными «клетками-полицейскими». Если же иммунная система ослаблена, (когда, скажем, человек болен СПИДом), то нападение вирусов приводит беззащитный  организм к гибели.

 

4. Генетическая  инженерия и генетика в XXI в.

 

Крупнейшее научное достижение конца XX - начала XXI в. - расшифровка генетического  кода человека, что имело не только теоретическое, но и огромное практическое значение.

Уже сейчас на основе этого  открытия возможно составление генетических паспортов новорожденных, в которых  могут быть указаны не только их генетические признаки, но и грозящие им наследственные заболевания и  сформулированы, исходя из этого, рекомендации о желательном образе жизни.

Практическое значение генетики реализуется в развитии ее прикладного  направления, получившего название генетической инженерии.

Генетическая инженерия  в числе прочего занимается созданием  генетически модифицированных продуктов, т.е. таких продуктов, в которые  введены новые гены от других видов, изменяющие их свойства (скажем, ген, приводящий к тому, что картофель не уничтожается колорадским жуком); клонированием  животных, т.е. выращиванием на основе ДНК организмов из одной клетки их генетических двойников.

Генетическую инженерию  разделяют на:

- клеточную, занимающуюся выращиванием целостного организма из одной клетки (она уже давно применяется при селекции растений);

- хромосомную, занимающуюся заменой пар хромосом, взятых от других видов (тоже широко применяется в селекции растений);

- генную, занимающуюся переносом генов (трансгенезом).

В развитии генетической инженерии  появляются в полной мере те потенциальные  опасности эволюции науки, о которых  говорилось выше. В некоторых странах  законодательно запрещены эксперименты по клонированию человека.

В то же время генетику называют одной из самых перспективных  наук XXI в., с которой связывают  успехи в лечении наследственных заболеваний, повышении урожайности  сельскохозяйственных культур, продлении  продолжительности жизни человека до 120 и более лет.

Генетика свидетельствует: мы несем в себе информацию наших  умерших предков, всей природы. Это  же говорит и об ответственности, налагаемой на нас природой.

Перед современной генетикой  стоят проблемы изучения сочетаний (связок) генов, их динамики (меняются ли признаки или нет), поиска социально  обусловленных генов.

Что же касается биологии в  целом, то «биологи прежних лет в  целом продвигались сверху вниз. Они  начинали с целого организма, потом  разнимали его на части и рассматривали  отдельные органы и ткани; далее  они изучали отдельные клетки под микроскопом - так мало-помалу они продвигались вниз, от сложного к простому. Новая биология - стала  изучать отдельные молекулы и  взаимодействие внутри клеток, пренебрегая  всем остальным. Теперь пришла пора обратиться к этому остальному и двигаться  вверх вдоль иерархии биологической  организации».

По этому пути и идет современная биология.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В целом современная генетика к началу XXI в. пришла к следующим  результатам:

1) В одном наборе хромосом  ДНК клетки человека содержится 3,5?10⁹ пар азотистых оснований, следовательно, в двойном наборе хромосом ДНК клетки человека - 7 млрд пар азотистых оснований.

2) Ген - это участок  ДНК, состоящий из последовательности  нуклеотидов или пар азотистых  оснований, который кодирует белок  или РНК. Главное свойство гена - это сочетание высокой устойчивости  как единицы наследственности, передаваемой  от поколения к поколению, со  способностью к наследуемым изменениям, мутациям в качестве основы  их изменчивости.

3) Ген имеет экзон-интронное  строение. Экзоны - это участки гена, которые кодируют белок или  РНК. Интроны - это участки гена, не участвующие в кодировании  ни белка, ни РНК. По мнению  большинства генетиков, это строение  гена характерно для человека  и некоторых других высших  животных, но не для бактерий, в их генах нет интронов. Такое  строение гена у человека создает  широкие возможности кодирования  белков или РНК: снимается копия  с ДНК в виде матричной РНК,  в которой присутствуют интроны,  затем эта первичная м-РНК преобразуется  в основную м-РНК без копий  интронов. «Вырезая» в разном  порядке интроны, можно соединять  в разной комбинации экзоны, как  из букв одного слова можно  создать иногда большое количество  других слов.

4) Подсчет числа генов  у человека основывается на  разных методиках, поэтому часто  приводят разные числа от 40 000 до 100 000 генов. Трудность подсчета  генов животных состоит в том,  что чем выше уровень сложности  строения и поведения организма,  тем больше в его ДНК последовательностей  нуклеотидов, которые не кодируют  ни белок, ни РНК. В 21-й  хромосоме человека есть участок  в 7 млн пар нуклеотидов. В  нем обнаружен один ген.

5) В 2003 г. было установлено,  что из 3,5 млрд пар нуклеотидов  в одном наборе хромосом ДНК  клетки человека чуть больше 1 % участвуют в кодировании белка,  более 28 % пар нуклеотидов участвуют  в кодировании РНКК, а остальные  70 % пар выполняют какие-то другие  функции в геноме человека. Первоначально  эту часть ДНК назвали «эгоистической  ДНК», т.е. существующей только  ради самой себя. Сегодня анализ  именно этой части ДНК человека  открывает много непонятной информации, которая со временем получит  соответствующее объяснение.