Воспроизведение генетического материала
Механизм репликации
В процессе репликации генетического материала водородные связи
между азотистыми основаниями разрываются, и из двойной спирали образуется две
нити ДНК. Каждая из них становится матрицей для синтеза другой комплементарной
нити ДНК. Последняя, через водородную связь, соединяется с матричной ДНК. Итак,
любая дочерняя молекула ДНК состоит из одной старой и одной новой
полинуклеотидной цепи. Рассмотренный механизм репликации отличается чрезвычайно
высокой точностью воспроизведения структуры ДНК. Поддержание такой ситуации
обеспечивается механизмом самокоррекции, осуществляемым ДНК-полимеразой.
Самокоррекция заключается в отщеплении ошибочно включенного в
цепь ДНК нуклеотида. Однако, несмотря на эффективность самокоррекции, в ходе
репликации после удвоения ДНК в ней обнаруживаются ошибки. Изменения в структуре
ДНК могут возникать спонтанно или под влиянием реакционно-способных соединений.
Возникающие ошибки устраняются благодаря действию механизма репарации. Репарация
осуществляется до и после репликации, таким образом, восстанавливается большая
часть повреждений структуры ДНК. Обширный набор различных ферментов репарации
осуществляет непрерывный осмотр ДНК, удаляя из нее поврежденные участки и
способствуя поддержанию стабильности наследственного материала. В молекулах ДНК
с помощью генетического кода зашифрована информация о последовательности
аминокислот в пептидах, а именно многообразием белковых молекул, выполняющих в
клетках разнообразные биологические функции, обуславливается многообразие жизни.
Основное количество ДНК локализовано в хромосомах (95 %). Внехромосомная часть
генома человека - ДНК митохондрий (5 %). Совсем небольшое количество составляют
отдельные кольцевые молекулы ДНК в ядре и цитоплазме. Кодирующая белки часть ДНК
составляет всего 3-5 %. Что делает "покоящаяся" часть генома, неизвестно.
Любые изменения в структуре ДНК (в хромосомах или митохондриях)
ведут к генетическому полиморфизму. Таким образом, под термином "ген" можно
понимать последовательность нуклеотидов в ДНК, которая обуславливает
определенную функцию (единицу морфологической, физиологической, биохимической,
иммунологической, клинической и любой другой дискретности) в организме. В геноме
человека более 30 000 генов. Размер генов человека варьируется в широких
пределах, однако большинство имеет размеры до 50 000 пар нуклеотидов. Таким
образом, ген представляет собой минимальное количество наследственного
материала, которое необходимо для синтеза т-РНК, р-РНК или пептида с
определенными свойствами.
Синтез белковых молекул - сложный
многоступенчатый процесс. Непосредственным участником его являются молекулы РНК.
РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки. Строение ее отличается от ДНК
тем, что она вместо дезоксирибозы содержит рибозу, а вместо тиамина - урацил.
Различают три типа РНК: информационную, или матричную (и-РНК), транспортную
(т-РНК) и рибосомную (р-РНК). Информационная РНК, перенося генетическую
информацию с ДНК на полирибосомы, служит матрицей для синтеза определенного
белка. Транспортная РНК обладает способностью присоединять к себе
соответствующую ей аминокислоту и транспортировать ее на полирибосомы.
Рибосомная РНК входит в состав рибосом, являющихся главным аппаратом синтеза
белка.
Структура белка
Структурным элементом белков служат аминокислоты, образующие
полипептидные цепи. Обычно в полипептидную цепь входит около 100-200
аминокислот. Последовательность их расположения определяет структуру и
биологические свойства белка и зависит от последовательности нуклеотидов в ДНК.
Каждая из 20 аминокислот кодируется последовательностью из трех нуклеотидов
(триплет), составляющих кодон. Больше всего известно генов кодирующих ферменты
(31,2 % общего числа). В 2 раза меньше генов - модуляторов белковых функций
(13,6 %). Они стабилизируют, активируют, свертывают или влияют иным образом на
функции белка. Остальные категории генов (кодирующие транскрипционные факторы,
гормоны, иммуноглобулины, рецепторы и т. д.) составляют менее 10 % общего числа.
Болезни, вызванные дефектами генов, кодирующих ферменты, наследуются по
аутосомно-рецессивному типу, а вызванные генами, кодирующими модуляторные
белковые функции или рецепторы, - по аутосомно-доминантному или
аутосомно-рецессивному. Как известно из менделевской генетики, различные аллели
(варианты одного и того же гена) могут проявляться в трех вариантах:
доминантном, рецессивном и кодоминатном (подробнее об этом ниже).
В геноме человека данное правило иногда нарушается, что
обусловлено различными мутациями в одном и том же гене. Это необходимо учитывать
при медико-генетическом консультировании. Болезни, вызванные генами
транскрипционных факторов, относятся к группе аутосомно-доминантных.
Формирование наследственных болезней во времени, также имеет закономерности
связанные с функцией первичного продукта гена. Болезни транскрипционных факторов
развиваются внутриутробно, патология ферментов - в течение первого года жизни,
рецепторов - в возрасте от 1 года до пубертатного периода, модулярной белковой
функции - в период до 50 лет. Образование хромосом
ДНК клеток связана с белками и образует нуклеопротеиновый
комплекс. В интерфазе этот комплекс представлен в виде ядерной структуры,
названной в связи с их способностью прокрашиваться основным красителем
хроматином. При переходе клетки к митозу хроматин приобретает вид хорошо
различимых отдельных хорошо окрашенных телец - хромосом. В первой половине
митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной
перетяжки (центромеры) - особым образом организованного участка хромосомы,
общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит
отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние
хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.
В зависимости от места положения центромеры и длины плеч,
расположенных по обе стороны от нее, различают несколько форм хромосом:
равноплечие, или метацентрические, неравноплечие, или субметацентрические,
палочковидные, или акроцентрические, и точковые - очень мелкие, форму которых
трудно определить. При рутинных методах окраски хромосом они различаются по
форме и соотносительным размерам. При использовании специальных методик
выявляется неравномерное распределение красителя по длине хромосомы, строго
специфичное для каждой отдельной хромосомы и ее гомолога. Генетические карты
Каждая хромосома специфична по морфологии и характеру
дифференциального окрашивания. Белки составляют значительную часть вещества
хромосом. На их долю приходится около 65 % массы эти структур. Хромосомная ДНК
подразделяется на две группы участков: с уникальной последовательностью пар
нуклеотидов и с повторяющимися последовательностями. Последние различаются по
длине каждого повтора и числу повторов (тандемные). Если повтор состоит из 2-8
пар нуклеотидов, то их называют микросателлитами. Другую группу повторов с
числом пар нуклеотидов от 10 до 100 000 называют мини-сателлитами. Мини - и
микросателлитные тандемные повторы разбросаны по всему геному и представляют
собой уникальную для каждого человека комбинацию по числу тандемных повторов в
локусах и числу таких локусов. Выявление их характеризует генетический
полиморфизм каждого человека, оценка которого используется в медико-генетических
и судебно-медицинских целях. Представление о хромосомах как носителях комплекса
генов было высказано на основе наблюдений сцепленного наследования ряда
родительских признаков друг с другом при передаче их в ряду поколений. Такое
сцепление неальтернативных признаков было объяснено нахождением соответствующих
генов в одной хромосоме. Совокупность генов, входящих в состав одной хромосомы,
образует группу сцепления. Каждая хромосома уникальна по набору заключенных в
ней генов и представляет собой довольно устойчивую структуру. Представление о
линейности расположения генов в каждой хромосоме основывается на наблюдении
нередко возникающей рекомбинации (взаимообмена) между материнскими и отцовскими
комплексами генов расположенных в гомологичных хромосомах. Это наблюдение дало
возможность высказать предположение о связи частоты рекомбинации с
последовательностью расположения генов в хромосоме. Представление о линейном
распределении генов хорошо объясняло зависимость частоты рекомбинации от
расстояния между ними в хромосоме. Открытие сцепленного наследования
неальтернативных признаков легло в основу методики построения генетических карт
хромосом. В настоящее время существуют генетические карты хромосом, описывающие
порядок расположения генов и других генетических элементов на хромосоме с
указанием расстояния между ними.
Знание генетических карт необходимо в разных разделах
медицинской генетики:
-
для диагностики болезней методом сцепления;
-
оценки патологических эффектов хромосомных
мутаций;
-
решение вопросов популяционной и эволюционной
генетики.
Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно
сложившуюся структуру. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет
немаловажную роль в характере их функционирования. Расположение гена в той или
иной хромосоме определяет тип наследования соответствующего признака.
|
