СТРУКТУРА ДНК И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

.КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ГЕНЕТИКИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Генетика довольно сложная и загадочная наука. Особенно много тайн хранит в себе генетический код. Для более основательного использования математического аппарата проведем небольшой экскурс в эту науку.

Генетика - это наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методов управления ими. Философ И.Т. Фролов отмечал: «История генетики, начиная с исследований Г. Менделя и заканчивая современниками, содержит немало загадочного и удивительного, требующего философского подхода и стимулирующего его, будоражащего воображение и возбуждающего исследовательский интерес» [28].

Опубликованное в 1865 г. и опередившее свое время открытие Г. Менделя мало заинтересовало современников. Лишь много лет спустя, в 1900 г. исследователи: Хуго Де Фриз (Голландия); Карл Коррейе (Германия) и Эрих Чермак (Австрия) вторично открыли законы Г. Менделя и доказали их достоверность. Таким образом, законы Г. Менделя дали начало исследованиям ученых разных стран.

Основоположник учения о наследственности австрийский естествоиспытатель Г. Мендель на основе опытов по гибридизации сортов гороха (1856-1863) сформулировал закономерности независимого расхождения признаков и комбинирования наследственных факторов.

Мендель брал два сорта душистого горошка, отличавшиеся по одному или нескольким признакам (например, семена одного сорта были зеленые, другого - желтые), и скрещивал их. В первом поколении все семена у растений были желтыми. Этот цвет доминировал над зеленым, поэтому Мендель назвал этот признак, проявляющийся у гибридов первого поколения, доминантным. Соответственно зеленый стал именоваться рецессивным. Казалось бы, если у растений первого поколения только желтые семена, то такие же должны быть и у второго поколения. Однако ничего подобного не происходит. Во втором поколении - скрещивание между разными растениями уже не производится, (Мендель использовал самоопыляющиеся растения) и, несмотря на это появляются растения и с желтыми, и с зелеными семенами. Причем в среднем из каждых четырех растений, у трех был желтый цвет семян, а у одного зеленый. Проделав множество опытов, тщательно проведя количественный анализ, Мендель установил, что соотношение 3:1 характерно для наследования отдельных признаков.

Наследование признаков по схеме 3:1 получило название «расщепление по фенотипу». Под фенотипом в генетике понимается комплекс всех признаков организма. Таким образом Мендель перевел биологический закон на математический язык [105].

Структурная единица наследственности - ген - получил свое материальное воплощение в частице молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), детерминирующей развитие того или иного признака.

Представление о взаимодействии генов и признаков сводятся к схеме: ген —> признак, в которой гены контролируют формирование признаков.

В 1868 г. швейцарский исследователь Ф. Мишер открыл новый класс биологически важных органических соединений, которые содержали в своем составе углерод, азот, фосфор. Он назвал полученный материал нуклеином (от лат. «нуклеус» — выделенный из ядра). Соединение, выделенное Ф. Мишером, получило в 1899 г. название нуклеиновой кислоты. Таким образом, он является первооткрывателем ДНК [13].

ДНК является наследственным материалом клетки, однако существуют другие формы передачи наследственной информации. Информация может переноситься и в клеточных структурах, которые также наследуются.

Большая часть ДНК находится в ядре клетки. Клетка была открыта английским естествоиспытателем Р. Гуком в 1665 г. Живые организмы, имеющие клеточное строение, делятся на два типа: первый тип — прокариоты (предъядерные), к которому относятся бактерии. Клетки прокариот не имеют ядра и органелл, окруженных мембранами; второй тип — эукариоты (ядерные). К ним относятся как одноклеточные, так и многоклеточные организмы.

В клетке прокариот содержится 2-3 тыс. различных белков, у эукариот их более 50 тыс., среди которых более 2500 обладают каталитической активностью — ферменты.

Каждая клетка вырабатывает электрический ток. В экспериментах издавна используются мышечные и нервные клетки, наиболее наглядно демонстрирующие эффект электрического тока. Нервная клетка - это крохотная батарейка, способная генерировать электрический импульс, проходящий по её отросткам, не затухая, сотни сантиметров [106]. Более того, многие органы животных создают сильные электрические поля, которые могут распространяться за пределы органа. Самый известный пример такого рода сердце, запись токов которого (электрокардиография) стала повседневной практикой в медицине. Электричество может выходить за пределы организма, как в случае электрического угря и электрического ската, генерирующих токи напряжением свыше 200 вольт [107].

Живые клетки в значительной степени состоят из воды. Вода - слабомагнитный материал. Она намагничивается в направлении, противоположному магнитному полю, то есть является диамагнети- ком[108].

При микроскопическом изучении клетки в ядре обнаруживаются интенсивно окрашивающиеся тельца. Эти тельца появляются только в период деления клетки, потом исчезают, но к следующему делению возникают вновь. Э.А.Каминская [109] отмечает: «Создается впечатление, что они на какой-то срок становятся невидимыми. Эти структуры были детально изучены В.Вальдейером в 1888 г. За способность интенсивного окрашивания они получили название хромосом». Хромосомы были изучены до выяснения учеными структуры ДНК, так как их можно было увидеть в обычный микроскоп. Одной из основных функций хромосомы является транскрипция, т.е. способность строить на генах молекулы информационной РНК (и РНК). Каждая хромосома состоит из ДНК и белка, связанных вместе.

Белки и нуклеиновые кислоты, составляющие хромосому, построены из атомов занимающих определённое положение в Периодической системе элементов Менделеева. ДНК и РНК состоят только из водорода, кислорода, углерода, азота и фосфора. Полипептидные цепи белков состоят только из водорода, кислорода, углерода, азота и серы.

Информация об организации хромосомы свидетельствует, что даже её простейшие структурные компоненты имеют упорядоченную природу. Функциональной повторяющейся единицей хромосомного материала является нуклеосома. Нуклеосома - основной структурный элемент хромосомы. Она представляет собой гистоновую сердце- вину, на которую намотана ДНК длиной 145 пар нуклеотидов (п.н.), делающая 1,75 оборота [ПО]. В клетках высших организмов содержится от 50000 до 500000000 нуклеосом, которые хорошо видны в электронный микроскоп. Большое значение имеет расположение нуклеосом вдоль хромосомы, так как они препятствуют взаимодействию ДНК с белками (и ДНК - связывающими белками в том числе). Нук- леосомы расположены на протяжении хромосомы периодично, и их распределение столь регулярно, что поддается предсказанию. А это означает, что нуклеосомы образуются на ДНК не в случайных местах [111].

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик построили модель ДНК и объяснили механизм кодирования информации с чередованием молекул дезокси- рибозы, фосфорной кислоты и азотистых оснований. Модель структуры ДНК была представлена в виде двойной спирали плотно скрученная на белковом стержне. Каждая пара оснований закручена примерно на 36 градусов вокруг оси спирали по отношению к следующей паре оснований, поэтому в каждом витке спирали содержится 10 пар оснований [112].

Заслуга в установлении закономерности генов в хромосомах принадлежит американскому биологу Т. Моргану (1866-1945), который экспериментально обосновал хромосомную теорию наследственности (Нобелевская премия 1933 г.).

В 1956 г. было окончательно установлено, что кариотип человека представлен 23 парами хромосом (диплоидный набор): 22 пары ауто- сом и одна пара половых хромосом (XX — у женщин, ХУ — у мужчин, т.е. сочетание двух Х-хромосом приводит к формированию женского пола, а одной Х-хромосомы и одной У-хромосомы дает начало мужской особи).

Таким образом, были открыты следующие уровни организации: Ген — Хромосома — Ядро — Клетка — Признак.

Было общепризнанно, что сама ДНК не участвует в синтезе белка, а лишь управляет им через РНК. В 1958 г. Крик сформулировал основной постулат молекулярной биологии, названный впоследствии центральной догмой молекулярной биологии, на основании которой путь переноса информации выглядит следующим образом:

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >