ДНК-носитель наследственной информации. Генетический код

ДНК-носитель наследственной информации. Генетический код

План занятия

• 1. Хромосомы
• 2. ДНК и гены
• 3. Генетический код и его свойства

1. Хромосомы

• Хромосома - самовоспроизводящийся структурный элемент ядра клетки, содержащий ДНК, в которой заключена генетическая (наследственная) информация.
• Число, размер и форма хромосом строго определены и специфичны для каждого вида. Каждая хромосома состоит из одной или нескольких пар хромонем.
• Различают гомологичные

и негомологичные хромосомы

Краткая характеристика

• Впервые хромосомы были описаны в 80-х гг. 19 в. в виде компактных телец палочковидной формы, выявляемых под микроскопом в ядре на определенной стадии деления клетки.
• Позже оказалось, что X. постоянно имеются в каждой клетке, однако их внешний вид значительно изменяется на разных стадиях жизни клетки.
• Установлено, что хромосомы представляют собой нитевидную структуру огромной длины (хроматиновая нить), которая может закручиваться, образуя компактную спираль (спирализовываться), или раскручиваться (деспирализовываться). Плотная спирализация осуществляется перед началом деления клеток и обеспечивает точное перераспределение X. по дочерним клеткам.
• На стадии митотического деления хромосомы становятся видимыми в световом микроскопе. У них можно заметить участок, называемый центромерой, к которому прикрепляются особые нити (нити веретена), участвующие в «растягивании» хромосом во время деления клеток.
• Центромера располагается в центре X., деля ее на два равных плеча, или же может сдвигаться к одному из концов. В последнем случае говорят, что данная X. неравноплеча.
• Как показывают последние достижения молекулярной генетики, хромосома представляет собой фактически одну длинную хроматиновую нить, образованную гигантской молекулой ДНК

Объемный рисунок строения хромосомы

Хромосомы клетки человека непосредственно перед делением ядра (увеличение в 950 раз). Хорошо заметно, что пары хромосом все еще связаны между собой центромерами

Число хромосом у разных видов

• Число хромосом во всех клетках каждого вида организмов строго постоянно и является точной характеристикой данного вида

Вид 2n

• Человек (Homo sapiens) 46
• Горилла 48
• Макака (Macaca mulatta) 42

• Животные
• Кошка (Felis domesticus) 38
• Собака (Canis familiaris) 78
• Лошадь 64
• Корова (Bovis domesticus) 120
• Курица (Gallus domesticus) 78
• Свинья 40
• Плодовая мушка (D.melanogaster) 8
• Мышь (Mus musculus) 40
• Дрожжи (S.cerevisiae) 32
• Нематода 22/24
• Крыса 42
• Лиса 34
• Голубь 16
• Карп 104
• Минога 174
• Лягушка (Rana pipiens) 26
• Миксомицеты 14
• Бабочка 380
• Шелкопряд 56
• Протей (Necturus maculosis) 38
• Рак (Cambarus clarkii) 200
• Гидра 30
• Аскарида 2
• Пчела 16
• Муравей (Myrmecia pilosula) 2
• Виноградная улитка 24
• Земляной червь 36
• Речной рак 1 16
• Малярийный плазмодий 2
• Радиолярия 1600

• Растения
• Клевер 14
• Тополь 38
• Кукуруза (Zea mays) 20
• Горох 14
• Береза 84
• Ель 24
• Лук (Allium cepa) 16
• Арабидопсис (Arabidopsis thaliana) 10
• Картошка (S.tuberosum) 48
• Лилия 24
• Хвощ полевой 216

Томат 24

• Крыжовник 16
• Вишня 32
• Рожь 14
• Пшеница 42
• Папоротник ~1200
• Липа сердцевидная 78
• Ирис русский 80
• Гладиолус обыкновенный 80
• Клевер паннонский 84
• Полушник озерный 90-180
• Крупка альпийская 96-180
• Листовик японский 104
• Щитовник мужской 110
• Баранец обыкновенный 144
• Ужовник обыкновенный 164
• Гаплопаппус 4
• Арабидопсис Таля 6

• Наименьшее число хромосом у самки подвида муровьев Myrmecia pilosula имеют пару хромосом на клетку. Самцы имеют только 1 хросому в каждой клетке.
• Наибольшее число: вид папоротников Ophioglossum reticulatum имеет около 630 пар хромосом, или 1260 хромосом на клетку
• Верхний предел числа хромосом не зависит от количества ДНК которое в них входит: у американской амфибии Amphiuma ДНК в ~30 раз больше, чем у человека, которая помещается в 14 хромосомах

Бактериальные хромосомы

• Прокариоты (архебактерии и бактерии, в том числе митохондрии и пластиды, постоянно обитающие в клетках большинства эукариот) не имеют хромосом в собственном смысле этого слова.
• У большинства из них в клетке имеется только одна макромолекула ДНК, замкнутая в кольцо (эта структура получила название нуклеоид). У ряда бактерий обнаружены линейные макромолекулы ДНК. Помимо нуклеоида или линейных макромолекул, ДНК может присутствовать в цитоплазме прокариотных клеток в виде небольших замкнутых в кольцо молекул ДНК, так называемых плазмид, содержащих обычно незначительное, по сравнению с бактериальной хромосомой, число генов. Состав плазмид может быть непостоянен, бактерии могут обмениваться плазмидами в ходе парасексуального процесса.
• Имеются данные о наличии у бактерий белков, связанных с ДНК нуклеоида, но гистонов у них не обнаружено.

Хромосомы эукариот

• Хромосомы эукариот имеют сложное строение. Основу хромосомы составляет линейная макромолекула ДНК (в молекулах ДНК хромосом человека насчитывается от 50 до 245 миллионов пар азотистых оснований). В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см. Помимо нее, в состав хромосомы входят пять специализированных белков гистонов — H1, H2A, H2B, H3 и H4 и ряд негистоновых белков
• В интерфазе хроматин не конденсирован, но и в это время его нити представляют собой комплекс из ДНК и белков
• В ранней интерфазе (фаза G1) основу каждой из будущих хромосом составляет одна молекула ДНК. В фазе синтеза (S) молекулы ДНК вступают в процесс репликации и удваиваются. В поздней интерфазе (фаза G2) основа каждой из хромосом состоит из двух идентичных молекул ДНК, образовавшихся в результате репликации и соединённых между собой в районе центромерной последовательности
• Перед началом деления клеточного ядра хромосома, представленная на этот момент цепочкой нуклеосом, начинает спирализовываться, или упаковываться, образуя при помощи белка H1 более толстую хроматиновую нить, или хроматиду, d =30 нм. В результате дальнейшей спирализации диаметр хроматиды достигает ко времени метафазы 700 нм. Конденсированная хромосома имеет вид буквы X (часто с неравными плечами), поскольку две хроматиды, возникшие в результате репликации, по-прежнему соединены между собой в районе центромеры (подробнее о судьбе хромосом при клеточном делении см. статьи митоз и мейоз)

Хромосомы X и Y, определяющие пол человека.

Мужской хромосомный набор диплоидной (обычной) клетки

Обратите внимание! Присутствует как X, так и Y-хромосома

Женский хромосомный набор диплоидной (обычной) клетки

Обратите внимание! Присутствуют только X-хромосомы

Типы строения хромосом

• Различают четыре типа строения хромосом:

• телоцентрические - палочковидные хромосомы с центромерой, расположенной на проксимальном конце);
• акроцентрические - палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом);
• субметацентрические - с плечами неравной длины, напоминающие по форме букву L);
• метацентрические - V-образные хромосомы, обладающие плечами равной длины).

• Тип хромосом является постоянным для каждой гомологичной хромосомы и может быть постоянным у всех представителей одного вида или рода

1 - равноплечие (метацентрические);

2 - неравноплечие (субметацентрические);

3 - палочковидные (акроцентрические);

4 - хромосомы с вторичной перетяжкой.

Микрофотография политенных хромосом слюнной железы Drosophila melanogaster

2. ДНК и гены

Дезоксирибонуклеиновая кислота

ДНК – биологический полимер, состоящий из двух спирально закрученных цепочек

Строение ДНК

• ДНК - полимер
• Мономеры - нуклеотиды
• Нуклеотид - химическое соединение остатков трех веществ: азотистых оснований, углевода, остатка фосфорной кислоты

Строение нуклеотида

Азотистые

основания :

- Аденин ;

- Гуанин;

- Цитазин

- Тимин

Остаток фосфорной кислоты

Углевод :

- Дезоксирибоза

Макромолекулярная структура ДНК

• В 1953 г. Дж.Уотсон и Ф.Крик предложили модель структуры ДНК. При построении структуры ученые основывались на 4 группах данных:

• ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных 3 `- 5 `- фосфодиэфирными связями

2. Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилам Чаргаффа:

( A + G ) = ( T + C ); число остатков А=Т, G = C

3. Рентгенограммы волокон ДНК указывают на то, что молекула обладает спиральной структурой и содержит более одной полинуклеотидной цепи

4. Стабильность структуры за счет водородных связей

Макромолекулярная структура ДНК.

• правильная правовинтовая спираль, состоящая из 2 полинуклеотидных цепей, которые закручены друг относительно друга вокруг общей оси;
• цепи имеют антипараллельную ориентацию
• пиримидиновые и пуриновые основания уложены стопкой с интервалом 0,34 нм;
• длина витка спирали – 3,40 нм.
• наличие комплиментарных пар – основания, которые образуют пары, в которых они сочетаются водородными связями

Ген – участок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре одной молекулы белка-фермента.

Он и является наследственным фактором любого живого тела природы.

3. Генетический код и его свойства

В каждой клетке синтезируется несколько тысяч различных белковых молекул.

Белки недолговечны, время их существования ограничено, после чего они разрушаются.

Информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована

в виде последовательности нуклеотидов в ДНК.

Кроме белков, нуклеотидная последовательность ДНК кодирует информацию о рибосомальных РНК и транспортных РНК.

Итак, последовательность нуклеотидов каким-то образом кодирует последовательность аминокислот.

Все многообразие белков образовано из 20 различных аминокислот, а нуклеотидов в составе ДНК - 4 вида.

Код ДНК должен быть триплетным. Было доказано, что именно три нуклеотида кодируют одну аминокислоту, в этом случае можно будет закодировать

4 3 - 64 аминокислоты.

А так как аминокислот всего 20, то некоторые аминокислоты должны кодироваться несколькими триплетами.

Свойства генетического кода:

• Триплетность: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов – кодоном .
• Однозначность: кодовый триплет, кодон, соответствует только одной аминокислоте.
• Вырожденность (избыточность): одну аминокислоту могут кодировать несколько (до шести) кодонов.

• Универсальность: генетический код одинаков, одинаковые аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами нуклеотидов у всех организмов Земли.
• Неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов.

Свойства генетического кода:

• Наличие кодона- инициатора и кодонов-терминаторов: и з 64 кодовых триплетов 61 кодон - кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 - бессмысленные, не кодируют аминокислоты, терминирующие синтез полипептида при работе рибосомы (УАА, УГА, УАГ). Кроме того, есть кодон - инициатор (АУГ) - метиониновый, с которого начинается синтез любого полипептида.