Следовательно, не только ДНК, но и РНК может служить носителем генетической информации. На сегодняшний день существуют сотни тысяч доказательств генетической роли нуклеиновых кислот. Приведенные три являются классическими.
6. Способ записи генетической информации в молекуле ДНК.Биологический код и его свойства
.1 Уровни упаковки генетического материала
Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми инегистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Длина этих фибрилл в диплоидномнаборе хромосом человека равна примерно 2 м, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около150 мкм. Принято считать, что каждая хроматида хромосомы содержит одну непрерывную молекулу ДНК. Упаковка генетического материала достигается путем спирализации (конденсации) фибрилл.
Первый уровень упаковки ДНК-нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой цилиндр (октамер) диаметром11 нм и высотой 6 нм, содержащий по две молекулы каждого из четырех гистонов (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), вокругкоторого двойная спираль ДНК образует около двух витков и переходит на следующий цилиндр. Длина накрученного фрагмента ДНК составляет примерно 60 нм(около 200 пар нуклеотидов). Образованная таким образом нуклеосомная нить имеет диаметр около 13 нм. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз. Нуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и при митозе.
Третий уровень упаковки-хроматидный (петлевой).Супернуклеосомная нитьспирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды иобеспечивает хроматидный уровень упаковки. Он обнаруживается в профазе. Диаметр петель около 50 нм.Нить ДНП (ДНК+белок) укорачивается в 10-20 раз.
Четвертый уровень упаковки-уровень метафазнойхромосомы. Хроматиды в метафазе способны еще спирализоваться с образованием эухроматиновых (слабо спирализованных) и гетерохроматиновых (сильно спирализованных)участков; происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 0,2 до 150 мкм идиаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации -укорочение нити ДНК в 10 000 раз.
Хромосомыпрокариотических клеток представляютсобой кольцевые молекулы ДНК, содержащие около5 -106 пар нуклеотидов и образующие комплексы с негистоновыми белками. Используя специальные методы разрушения прокариот, можно обнаружить, что их ДНК собрана в бусины, приближающиеся по величине к нуклеосомам эукариот. Эти бусины очень лабильны, что указывает на слабое взаимодействие между ДНК и белками.
Характер конденсации хромосомы прокариот не вполневыяснен, но в целом она может быть выделена в видекомпактной структуры, называемой нуклеоидом. В прокариотическихклетках (бактерий) содержатся и кольцевыедвухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов, которыми они могут обмениваться с другими бактериями. Эти автономные генетические элементы-плазмидыспособны реплицироватьсявне зависимости от репликации нуклеоида. Плазмиды вбольшинстве своем содержат гены устойчивости к антибактериальным факторам. Кольцевидные молекулы ДНК содержатся и в эукариотических клетках в самореплицирующихся органоидах (митохондрии, пластиды). Эти молекулы невелики и кодируют небольшое количество белков, необходимых для осуществления автономных функций органоидов. ДНК органоидов не связана с гистонами.
6.2 Репликация молекулы ДНК
Репликация молекул ДНК происходит в синтетический период интерфазы. Каждая из двух цепей материнской молекулы служит матрицей для синтеза новой цепи по принципу комплементарности. После репликации молекула ДНК содержит одну материнскую цепочку и одну дочернюю, вновь синтезированную (синтез ДНКявляется полуконсервативным). Так как две комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены в противоположные стороны, а ДНК-полимераза может продвигатьсявдоль матричных цепей лишь от 5'-конца к З'-концу, то синтез новых цепей идет антипараллельно (принцип антипараллельности) Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Но одновременное раскручивание спиралей, состоящих из огромного числа пар нуклеотидов (нескольких миллионов), невозможно. Поэтому репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном. Бактериальная хромосома содержит один репликон. Эукариотическая хромосома содержит много репликонов, в которых удвоение молекулы ДНК идет одновременно. Репликон обязательно имеет контролирующие элементы: точка начала, в которой инициируется репликация, и точка окончания, в которой репликация останавливается. Место, в котором происходит репликация, получило название репликационной вилки. Репликационная вилка движется вдоль молекулы ДНК от ее стартовой точки (точки начала) до точки окончания. Так как ДНК-полимераза может двигаться только в одном направлении (5'-3'), то в каждой репликационной вилке она может постепенно и непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула ДНК синтезируется отдельными короткими участками по 150-200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки) под действием ДНК-полимеразы, движущейся в противоположном направлении. Эти короткие участки вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи одного репликона связываются воедино ферментом лигазой. Такой принцип синтеза новых цепей ДНК называется прерывистым. Участки .дочерних. молекул ДНК, синтезированные в соседних репликонах, также сшиваются ферментом лигазой. Весь геном клетки реплицируется только один раз за период времени, соответствующий одному митотическому циклу.
6.3 Генетический код и его свойства
Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в их пептидных цепях. Именно эта последовательность аминокислот в пептидах зашифрована в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода. Относительная примитивность структуры ДНК, представляющей чередование всего лишь четырех различных нуклеотидов, долгое время мешала исследователям рассматривать это соединение как материальный субстрат наследственности и изменчивости, в котором должна быть зашифрована чрезвычайно разнообразная информация.
Полная расшифовка генетического кода проведена в 60-х гг. нашего столетия. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или нонсенс-триплетов. Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считываниинаследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ. Обращает на себя внимание явная избыточность кода, проявляющаяся в том,что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами. Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типузамены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует туже самую аминокислоту.
В процессе изучения свойств генетического кода была обнаружена егоспецифичность. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Интересным фактом является полное соответствие кода у различных видов живых организмов. Такая универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции. Незначительные отличия генетического кода обнаружены в ДНК митохондрий некоторых видов. Это не противоречит в целом положению об универсальности кода, но свидетельствует в пользу определенной дивергентностивего эволюции на ранних этапах существования жизни.
Расшифровка кода в ДНКмитохондрий различных видов показала, что во всех случаях в митохондриальных ДНК отмечается общая особенность: триплет АЦТ читается как АЦЦ, и поэтому из нонсенс-триплета превращается в шифр аминокислоты триптофана.Наряду с триплетностью, вырожденностью, специфичностью и универсальностью важнейшими характеристиками генетического кода являются его непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания. Доказательством неперекрываемости генетического кода является замена только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. В случае включения нуклеотида в несколько перекрывающихся триплетов его замена влекла бы за собой замену 2 - 3 аминокислот в пептидной цепи.
Таким образом, генетический код представляет собой не случайный конгломерат соответствий между кодонами и аминокислотами, а высокоорганизованную систему соответствий, поддерживаемую сложными молекулярными механизмами.
.4 Биосинтез белка в клетке
Посредником в передаче генетической информации (порядок нуклеотидов) от ДНК к белку выступает иРНК (информационная РНК). Она синтезируется в ядре наодной из цепей ДНК по принципу комплементарностипосле разрыва водородных связей между двумя цепочками (фермент РНК-полимераза). Процесс переписывания информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией. Синтезированная таким образом иРНК (матричный синтез) выходит через поры ядра в цитоплазму и взаимодействует с малой субъединицей одной или нескольких рибосом. Рибосомы, объединенные одной молекулой иРНК, называют полисомами. На каждой рибосоме полисомы синтезируются одинаковые молекулы белка.
Следующий этап биосинтеза белка - трансляция, перевод последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке. Транспортные РНК (тРНК) .приносят аминокислоты в рибосому. Молекула тРНК по конфигурации похожа на лист клевера и имеет два активных центра. На одном конце молекулы расположен триплет свободных нуклеотидов, который называется антикодоном исоответствует определенной аминокислоте. Так как многие аминокислоты кодируются несколькими триплетами,то число различных тРНК значительно больше 20 (идентифицировано 60). Второй активный центр-противоположный антикодону участок, к которому прикрепляется аминокислота. На 5'-конце молекулытРНК всегда находится гуанин,а на 3'-конце-риплет ЦЦА. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфических тРНК при участии особой формы фермента аминоацил-тРНК-синтетазыи АТФ. В результате образуется комплекс аминокислоты стРНК-аминоацил-тРНК, в котором энергия связи между концевым нуклеотидом А (в триплете ЦЦА) и аминокислотойдостаточна для образования вдальнейшем пептидной связи. Аминокислоты транспортируются в большую субъединицу рибосом. В каждый данный момент внутри рибосомы находятся два кодона и РНК: один напротиваминоацильного центра, второй - напротив пептидилъного центра. Если антикодон тРНК и кодонаминоацильного центра являются комплементарными, то тРНКи аминокислота переходят в пептидильный центр (рибосома продвигается на один триплет), аминокислота отсоединяется от тРНК и присоединяется к предшествующейаминокислоте, а тРНК уходит из рибосомы за следующей аминокислотой. То же происходит со второй тРНК и ее аминокислотой. Таким образом, полипептидная молекуласобирается в полном соответствии с информацией, записанной на иРНК. В процессе трансляции выделяют три стадии: инициации, элонгации и терминации. Инициация (началотрансляции) заключается в связывании рибосомы сиРНК, для чего в начале молекулы иРНК имеется специальный инициирующий кодон (АУГ) и определенная последовательность нуклеотидов, которая отвечает за связь с рибосомой. Элонгация (процесс трансляции) включаетреакции от образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты к молекуле полипептида. В это время рибосома перемещается от первогодо последнего кодона на иРНК. Терминация (конецтрансляции) обусловлена наличием терминирующих кодонов (УАА, УАГ, У ГА), которые прекращают синтез белка; происходит отделение рибосомы от иРНК. Регуляция синтеза белка у эукариот может осуществляться на уровне транскрипции и трансляции. Регуляторную функцию выполняют хромосомные белки (гистоны). Их молекулы заряжены положительно и легко связываются с отрицательно заряженными фосфатами, влияя натранскрипцию определенных генов с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Модификации гистонов (фосфорилирование, ацетил ирование, метилирование) ослабляют их связь с ДНК и облегчают транскрипцию. Кислые негистоновыебелки, связываясь с определенными участками ДНК, также облегчают транскрипцию. Регулируют транскрипцию и низкомолекулярные ядерныеРНК, которые находятся в комплексе с белками и могутизбирательно включать гены. Усиливают синтез белка различные анаболическиестероиды, инсулин, предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот (инозин, оротат калия). Ингибиторамисинтеза белка являются антибиотики (рифамицины, оливомицин), некоторые противоопухолевые препараты (винбластин, винкристин, 5-фторурацил), модифицированные азотистые основания и нуклеозиды.
В лабораторных условиях синтез белков требует огромного времени, усилий и средств. В клетке же синтез белковых молекул, состоящих из сотен и более аминокислот, осуществляется в течение нескольких секунд. Это объясняется в первую очередь матричным принципом синтеза нуклеиновых кислот и белков, обеспечивающим точную последовательность мономерных звеньев а синтезируемых полимерах. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Существенное влияние на быстроту и точность протекания всех реакций синтеза белка оказывают ферменты. С участием специальных ферментов происходит синтез ДНК, и-РНК, соединение аминокислот с тРНК и т. д. Процесс белкового синтеза требует также больших затрат энергии. Так, на соединение каждой аминокислоты с т-РНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Можно представить, сколько молекул "АТФ расщепляется в процессе синтеза среднего по размерам белка, состоящего из нескольких сотен аминокислот.
Заключение
Биологические свойства живой материи обуславливаются совокупными свойствами её составляющих биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. В связи с этим живая материя подчиняется не только всем известным физико-химическим законам, но и закономерностям информационным. Ясно, что биоорганическое вещество является материальной основой построения любой живой системы. Кроме того, биологические макромолекулы и структуры выступают и в качестве носителя молекулярной информации, поэтому информация в структуре живого имеет химическую форму записи. Благодаря обработке и циркуляции наследственной информации в процессе жизнедеятельности осуществляется управление и регулирование биохимическими и молекулярными процессами, снижается энтропия (дезорганизация) живой системы. Только информационные ресурсы и закономерности позволяют веществу, энергии и информации в живой системе циркулировать, обновляться, воспроизводиться и создавать новые биологические реальности. Самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми для всех биологических процессов.
На основании достижений молекулярной биологии, биохимии и генетики в последние десятилетия интенсивно развивается новое направление в генетике генная инженерия, целью которой является конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой путем переноса генетической информации из одного организма в другой.
Генная инженерия берет свое начало в 1973 году, когда генетики Стэнли Кохен и Герберт Бойер внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки.
Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали.
Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных фирм 60% работают над производством лекарственных и диагностических препаратов.
В 1990 году в США был начат проект "Геном человека", целью которого было определить весь генетический год человека. Проект, в котором важную роль сыграли и российские генетики, был завершён в 2003 году. В результате проекта 99% генома было определено с точностью 99,99% (1 ошибка на 10000 нуклеотидов). Завершение проекта уже принесло практические результаты, например, простые в применении тесты, позволяющие определять генетическую предрасположенность ко многим наследственным заболеваниям.
С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения заболеваний. Сегодня мы знаем, что с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию, некоторые виды рака, болезнь Хантингтона и даже очищать артерии. Сейчас идёт более 500 клинических испытаний различных видов генной терапии.
Неблагоприятная экологическая обстановка и целый ряд других подобных причин приводят к тому, что все больше детей рождается с серьезными наследственными дефектами. В настоящее время известно 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.
Сегодня существует возможность диагностировать многие генетические заболевания ещё на стадии эмбриона или зародыша. Пока можно только прекратить беременность на самой ранней стадии в случае серьёзных генетических дефектов, но скоро станет возможным корректировать генетический код, исправляя и оптимизируя генотип будущего ребёнка. Это позволит полностью избежать генетических болезней и улучшить физические, психические и умственные характеристики детей.
Многие болезни, для которых в настоящее время не существует адекватных методов диагностики и лечения (раковые, сердечнососудистые, вирусные и паразитные инфекции, нервные и умственные расстройства), с помощью генной инженерии и биотехнологии станут доступны и диагностике, и лечению.Под влиянием биотехнологии медицина может превратиться в дисциплину с ясным пониманием происходящих в организме молекулярных и генетических процессов.
Исходя из выше сказанного, имеются убедительные основания полагать, что общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами Жизни, но и, впоследствии, были заново "открыты" человеком и нашли широкое распространение во многих областях человеческой деятельности.
Список использованных источников информации
1.Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М.: Мир, 1988. Т. 3.
2.Генная инженерия. Статья.<http://transhumanism>russia.ru/content/view/38/36/