Организация генетического аппарата

Наследственность и изменчивость обеспечиваются функционированием особого материального субстрата – генетического аппарата.

На современном этапе представления о природе позволяют выделить следующие уровни структурно-функциональной организации наследственного материала:

• генный;

• хромосомный;

• геномный.

Элементарной структурой генного уровня организации является ген. Гены относительно независимы друг от друга, поэтому возможны дискретное (раздельное) и независимое наследование (III закон Менделя) и изменение (мутации) отдельных признаков.

Гены клеток эукариот находятся в хромосомах, обеспечивая хромосомный уровень организации наследственного материала. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления и передаются, как правило, вместе. Этот уровень организации – необходимое условие сцепления генов и перераспределения генов родителей у потомков при половом размножении (кроссинговер и случайное расхождение хромосом и хроматид к полюсам при мейозе).

Вся совокупность генов организма в функциональном отношении ведет себя как целое и образует единую систему, называемую генотипом (геномом). Один и тот же ген в разных генотипах может проявлять себя по-разному. Геномный уровень организации объясняет внутри- и межаллельное взаимодействие генов, расположенных как в одной, так и в разных хромосомах.

Термин «геном» означает полный состав ДНК клетки, то есть совокупность всех генов и межгенных участков.

Организация генома человека (как и каждого эукариотического вида) представляет собой последовательную иерархию элементов:

• нуклеотиды;

• гены с межгенными участками;

• сложные гены;

• плечи хромосом;

• хромосомы;

• гаплоидный набор вместе с внеядерной ДНК.

В начале 50-х годов прошлого столетия было доказано, что элементарной функциональной единицей наследственности и изменчивости, определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организма, является ген, который имеет определенную структурно-функциональную организацию.

Эволюция понятия «ген». Отдельные сведения по наследованию признаков были известны очень давно, однако закономерности их передачи впервые изложил Г. Мендель в 1865 г. в работе: «Опыты над растительными гибридами». Современники не придали значения его открытию. Понятия «ген» в то время еще не было, и Г. Мендель говорил о «наследственных задатках», содержащихся в половых клетках, природа которых была неизвестна.

В 1900 г. независимо друг от друга Г. де Фриз (Голландия), Э. Чермак (Австрия) и К. Корренс (Германия) заново открыли законы Г. Менделя. Этот год и считается годом рождения генетики как науки. В 1902 г. Т. Бовери, Э. Вильсон и Д. Сеттон высказали предположение о связи наследственных факторов с хромосомами. В 1906 г. У. Бэтсон ввел термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен - «ген». В 1911 г. Т. Морган и сотрудники сформулировали основные положения хромосомной теории наследственности.

В начале XX в. господствовало представление о стабильности и неизменяемости генов (А. Вейсман, У. Бэтсон), а если изменения и происходят (Г. де Фриз), то самопроизвольно, независимо от влияния среды. Это ошибочное мнение было опровергнуто получением индуцированных мутаций Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым (1925) на грибах, Г. Меллером (1927) на дрозофиле и И.Л. Стадлером (1928) на кукурузе.

В это же время существовало представление о неделимости гена. Однако в конце 50-х годов было показано, что ген является дискретной единицей. При выполнении основной функции – программировании синтеза белка – ген выступает как целостная единица, изменение которой вызывает перестройку структуры белковой молекулы. Эту единицу Бензер назвал цистроном. По величине он примерно равен гену. Дискретность гена заключается в наличии у него субъединиц. Элементарная единица изменчивости гена, единица мутации, названа мутоном, а единица рекомбинации (обмен участками гомологичных хромосом в профазе мейоза I) – реконом. Минимальные размеры мутона и рекона равны одной паре нуклеотидов. В настоящее время элементарной структурной единицей гена считают пару нуклеотидов, а функциональной – кодон.

В 20-е годы было установлено, что хромосомы состоят из белка и нуклеиновых кислот. В 1928 г. Н.К. Кольцов предположил, что функции генов выполняют белковые молекулы, и белки способны к самовоспроизведению. Однако, в дальнейшем было доказано, что носителем генетической информации является молекула ДНК.

Таким образом, ген – это структурная единица нуклеиновых кислот (полинуклеотидов), ответственных за хранение, передачу и реализацию генетической информации. Под термином «ген» можно понимать последовательность нуклеотидов в ДНК, которая обусловливает определенную функцию (единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности) в организме. Ген представляет собой минимальное количество наследственного материала, которое необходимо для синтеза т-РНК, р-РНК или пептида с определенными свойствами. По современным представлениям, ген – это участок молекулы ДНК, дающий информацию о синтезе определенного полипептида или нуклеиновой кислоты.

В геноме человека более 30000 генов. Размер генов человека варьируется в широких пределах, однако большинство имеет размеры до 50000 пар нуклеотидов. Передачей генов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальная преемственность – наследование потомками признаков родителей.

Свойства гена. Гены характеризуются определенными свойствами:

Ø специфичностью (каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком расположения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида),

Ø целостностью (при программировании синтеза полипептида ген выступает как неделимая единица) и дискретностью (наличие субъединиц),

Ø стабильностью (относительно устойчивы) и лабильностью (способность мутировать),

Ø плейотропией (один ген может отвечать за проявление нескольких признаков),

Ø экспрессивностью (степень фенотипического проявления) и пенетрантностью (частота проявления гена).

Основные свойства гена как функциональной единицы материала наследственности и изменчивости определяются его химической организацией.

Структура гена представляет собой набор кодонов, которые состоят из трех нуклеотидов (триплетный код). Ген содержит информацию о структуре какого-либо белка, а каждый кодон – о структуре аминокислоты и ее местоположении в белковой молекуле.

В настоящее время известно, что ген имеет сложное внутреннее строение, а отдельные участки обладают различными функциями. В гене можно выделить самую большую часть, которая собственно и определяет строение полипептида. Эта часть называется «цистрон» и может состоять из десятков тысяч пар нуклеотидов. Некоторые гены содержат в себе несколько цистронов (полицистронные или структурные гены). Исследования показали, что размер гена больше, чем размер полипептида. Отсюда вывод, что в гене содержатся нуклеотидные последовательности, не влияющие на строение полипептида, но необходимые для правильного функционирования структурной части (структурного гена). Это регуляторная часть гена (или ген-оператор). Ген-оператор управляет активностью нескольких генов-цистронов и располагается непосредственно возле них. Комплекс из группы структурных генов и гена-оператора образует оперон. Выделяют еще ген-регулятор, который регулирует активность оперона с помощью специального вещества, им продуцируемого – репрессора. Репрессор, воздействуя на ген-оператор, ингибирует его и снижает активность связанных с ним цистронов.

Гены объединяются в блоки, образующие ДНК-нить. При этом они располагаются в линейном порядке, что в дальнейшем предопределяет нитевидную структуру ДНК и хромосом.

Исследования химической природы наследственного материала неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты – полимеры, которые состоят из мономеров-нуклеотидов, включающих три компонента:

• сахар (пентоза);

• фосфат;

• азотистое основание.

Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений:

• дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК);

• рибонуклеиновая кислота (РНК).

ДНК является хранителем наследственной информации во всех клетках про- и эукариот (у вирусов эту функцию может выполнять и молекула РНК); РНК передает и реализует генетическую информацию.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – более химически устойчивый компонент, субстрат наследственности и изменчивости.

Структура молекулы ДНК была расшифрована Дж. Уотсоном, Ф. Криком и М. Уилкинсом в 1953 г. Согласно модели Д. Уотсона и Ф. Крика, молекула ДНК представляет собой две жестко фиксированные параллельно друг другу и закрученные в двойную спираль антипараллельные (напротив конца 3' одной цепи располагается 5' конец другой) полинуклеотидные цепи, звенья которых составляют нуклеотиды.

Каждый нуклеотид состоит:

• из пятиуглеродного сахара - дезоксирибозы;

• остатка фосфорной кислоты;

• одного азотистого основания - пуринового (аденин, гуанин) или пиримидинового (цитозин, тимин).

Нуклеотиды соединяются в цепочку путём образования ковалентных (фосфо-диэфирных) связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания присоединяются к дезоксирибозе и образуют боковые радикалы. (А, Т), (Г, Ц) всегда находятся друг против друга и соединены между собой жесткими водородными связями – «распорками»: 2 водородные связи – между аденином и тимином, 3 – между гуанином и цитозином. Строгое соответствие (взаимодополнение) пуриновых и пиримидиновых оснований друг другу в парных цепочках ДНК (А-Т, Г-Ц) называется комплементарностью.

Явление комплементарности азотистых оснований в молекуле ДНК открыл Э. Чаргафф в начале 50-х годов XX века (правила Чаргаффа), показав, что количество А всегда равно количеству Т, а количество Г - количеству Ц.

Благодаря своему химическому строению, ДНК обладает уникальным свойством – она способна к самовоспроизведению путем точной конвариантной редупликации (удвоения).

Дата добавления: 2015-07-16