Ген с позиции молекулярной биологии

Содержание

Введение
Глава 1. Что такое генетика
1.1. Основные понятия генетики
1.2. Возникновение генетики как науки
Глава 2. Молекулярные основы наследственности
Заключение
Библиографический список использованной литературы

Ген с позиции молекулярной биологии

Глава 1. Что такое генетика 5
1.1. Основные понятия генетики 6
1.2. Возникновение генетики как науки 7
Глава 2. Молекулярные основы наследственности 11
Заключение 16
Библиографический список использованной литературы 17
Введение
Генетика изучает процессы преемственности жизни на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях. Генетика человека изучает законы наследственности и изменчивости у человека в норме и при патологиях, физические и психические врожденные признаки, а также аспекты поведения: соотношения «генетического» и «средового» в формировании индивидуального фенотипического разнообразия психологических и психофизиологических характеристик1. Достижения современной генетики человека базируются на законах и закономерностях классической генетики, которые имеют универсальное значение и в полной мере применимы к человеку. Успехи теоретической генетики находят практическое применение в диагностике, профилактике и лечении ряда наследственных патологий, изучаются генетические основы человека и проблемы его сохранности в будущих поколениях. Каждый человек должен быть знаком с законами наследственности как необходимым фактором разумного планирования семьи, обеспечивающим здоровье будущего поколения, формирующим индивидуальность личности и особенности ее поведения в социуме2.
Каждый из нас является носителем неизвестного количества вредных генов и подвержен риску генетического нарушения или возможности передать какие-либо из этих генов своим детям. Любая болезнь либо вызывается генетической причиной, либо частично связана с ее влиянием. В качестве примера можно назвать такие широко распространенные болезни, как инфаркт миокарда, гипертоническая болезнь, рак, диабет и аллергия. Даже продолжительность жизни генетически детерминирована (обусловлена, предопределена). Так в США свыше 20 000 000 человек уже страдают или когда-либо в течение своей жизни проявят унаследованное расстройство здоровья. Волей-неволей мы связаны с нашими генами. В известном смысле мы и есть не что иное, как продукт наших генов3.
Молекулярная биология открыла молекулы и структуры с функцией переносчика, преобразователя (переводчика) и накопителя новой информации. Открыты коды соответствий и молекулярный язык кодирования генетической информации в трех важнейших классах линейных макромолекул - ДНК, РНК и белков. Однако биология пока не знает кодов соответствий между порядком молекул и физиологическими функциями клеток. Бактерии являются замечательным примером перекачки энергии солнечного света и пищевых молекул в миллиарды копий старых и новых хромосом. За три миллиарда лет до появления многоклеточной жизни на нашей планете отрабатывался механизм серийного генообразования в терабайтных масштабах повторов. Отобранные гены или комбинации генов микроорганизмов использовались на следующем этапе эволюции для построения многоклеточной жизни. В эпоху кембрия возникли первые эукариотические (имеющие ядро) клетки, которые заложили основу многоклеточной жизни. Геном эукариотических клеток как минимум на порядок содержал больше генов.
Глава 1. Что такое генетика
Генетика (от греческого genesis – происхождение или от genetikos - относящейся к происхождению), наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Согласно законов генетики все основные признаки и свойства организмов контролируются и определяются единицами наследственной информации – генами, локализованными в специфических структурах клетки – хромосомах. Вещество, в котором «записана» информация наследственности является ДНК, а у большинства вирусов РНК. Основы современной генетики заложены Грегори Менделем (1865), открывшего законы дискретной (от латинского diskretus – разделенный, прерывистый) наследственности, и школой Томаса Моргана (1910), обосновавшей хромосомную теорию наследственности. Развитие генетики стало возможным только в определенный исторический период и на фоне многих теоретических и экспериментальных исследований: 1694 – Р.Я. Камериус открыл существование полов у растений; 1760 – начаты экспериментальные работы И.Г. Кельрейтером по изучению передачи наследственных признаков у растений (член Российской академии наук), в 1766 он формирует идею о совместном участии обоих родителей в передаче наследственных признаков у растений; в конце 17 века английский селекционер Т.Э. Найт обнаружил неделимость мелких наследственных признаков у растений. Французские ученые О. Сажрэ и Ш. Ноден обнаружили явления доминантности, и пришли к мысли о необходимости количественных экспериментов. Все это помогло Г. Менделю осмыслить свои изыскания и опубликовать их в 1865 году4.

1.1. Основные понятия генетики
Генетика изучает наследственность и изменчивость организмов в диалектическом единстве, так как наследственность консервативна по своей природе, а изменчивость порождает не только многообразие живой природы в целом, но и обеспечивает внутривидовое разнообразие. Генетика – фундаментальная наука, изучающая процессы преемственности жизни на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.
Наследственность – способность организмов обеспечивать материальную (свойства и признаки) и функциональную преемственность, а также определенную схему индивидуального развития (онтогенез).
Изменчивость – способность организма утрачивать имеющиеся признаки или приобретать новые.
Генотип – совокупность всех наследственных задатков (генов) организма.
Фенотип – совокупность внешних признаков организма на данном этапе онтогенеза, обусловленных генотипом и формирующихся под влиянием внешней среды.
Весь генетический материал представлен молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), образующих с белками сложный комплекс – хроматин, хорошо видимые структуры которого – хромосомы наблюдаются в период деления клеток. Каждый многоклеточный организм, размножающийся половым путем, развивается из единственной клетки – зиготы, образованной в результате слияния яйцеклетки и сперматозоида. В зиготе набор хромосом диплоидный (двойной 2n), где каждая из пары гомологичных (одинаковых) хромосом привнесена гаметами (половыми клетками), имеющими одинарный, или гаплоидный, набор хромосом. Каждый вид организма имеет свой постоянный набор по количеству и морфологии хромосом – кариотип. У дрозофилы (американская плодовая муха) кариотип равен 2n=8; у кошки 2n=38; у собаки 2n=70; у коровы 2n=60; у мыши 2n=38; у обезьяны 2n=48; у человека 2n=46. в кариотипе различают аутосомные хромосомы, одинаковые у всех представителей данного вида, не зависимо от пола (не кодируют пол человека) и половые хромосомы: у женщины они обозначаются буквами - XX, а у мужчин – XY.
Ген – локус (участок) молекулы ДНК, обеспечивающий синтез определенной белковой молекулы или полипептидной нити, детерминирующей определенный признак, свойство или функцию. Разные состояния одного и того же гена называются аллелями. Аллели занимают идентичные участки (локусы) в гомологичных хромосомах. При половом размножении каждый организм, развивающийся из зиготы, получает половину генов (признаков) от матери (через яйцеклетку), а другую половину от отца (через сперматозоид). Исключение составляют гены непарных половых хромосом у мужчин. В результате мейоза (деления половых клеток) в зрелую зародышевую клетку всегда попадает только один аллель каждой пары, таким образом, каждый ребенок всегда получает только по одному аллелю из каждой пары аллелей родителей, что делает каждого нового человека уникальным – единственным в своем роде во вселенной (за исключением однояйцовых близнецов). Они могут быть в одинаковом состоянии – гомозиготном (АА или аа) или в различном - гетерозиготном (Аа). Аллели могут быть сильными, в проявлении своих признаков, – доминантные или слабыми – рецессивные.
1.2. Возникновение генетики как науки
В 18-19 веках появились сообщения о переоценки некоторых патологий у людей с позиции генетики. Так Мопертюн описывал о возможной доминантности такой патологии как полидактилия (добавочные пальцы на конечностях) любым из родителей ребенка. Это и другие открытия укладывались в теорию выдвинутую Грегори Менделем (о законах наследования внешних признаков). Появляются множество работ изучающие роль генетических факторов в передаче некоторых заболеваний потомкам от родителей (одного в случае доминантности признака или от обеих – в случае рецессивности признака), так, например, было показано, что гемофилия передается женщинами от отцов. Более того, в последующих работах ученых было показано, что способности человека зависят от наследуемых факторов, Это послужило толчком к возникновению идеи исправления внешними факторами способностей человека – наука евгеника. Большой вклад в формирование методов исследования генетики у людей внес Ф. Гальтон – основоположник такого метода, как близнецовый и генеалогический методы исследования в медицинской генетике. Дальше в работах Горнера открывается еще один интересный факт наследования некоторых патологий человека, зависящий от половой принадлежности, иными словами заболевания, сцепленные с половыми хромосомами – X или Y, например, дальтонизм – рецессивное наследование. В конце 18 века в биологии отмечен прорыв в исследовании механизма зарождения новой жизни (процесс оплодотворения описан О. Гертвигом; А. Вейсманом, что носителем генетической информации являются ядра клеток). В работах В. Флеминга на животных детально изучен процесс митоза, Э. Ван Бенден открыл тот факт, что половые клетки несут одинарный запас хромосом и что при оплодотворении число хромосом удваивается. Основными же работами, послужившими появлению генетики как науки, стали опубликованные в 1865 году работы Г. Менделя выявившие законы наследования моно-, ди- и полигенных признаков. Считают, что датой рождения стал 1900 год когда независимо друг от друга Г. Де Фриз (Голландия), Корренс (Германия), Чермак (Австрия) переоткрыли законы Менделя. В начале 19 века в научных кругах усиленно изучают законы наследования некоторых патологий у человека в соответствии с законами Менделя (Фараби – наследование брахидактилии «короткопалости» по аутосомно-доминантному типу, Гэррод показал наследование и расщепление у потомков такой патологии, как алкаптонурии «нарушение обмена белков» по рецессивному типу), открытие К. Ландштейнором системы крови групп у человека дала толчок к доказательности отцовства при спорных ситуациях в криминалистике. Выведенный закон учеными Харди и Вайнбергом показал, что от поколения к поколению частота встречаемости доминантных генов не меняется, что дало возникновению популяционной генетике изучающей частоту встречаемости генов в свободно скрещивающихся популяциях. Работы Бернштейна по изучению кодирования групп крови показали, что за это отвечают три аллели одного гена, что подтолкнула к возникновению развития концепции наследственного полиморфизма (способности кодировать один признак различными аллельными вариантами генов). Важная роль в раскрытие значения хромосом в наследовании признаков потомством от родителей принадлежит работам Т. Моргана, исследовавшего роль хромосом в наследственности и установлении законов сцепленного наследования, которые вместе с законами независимого наследования Г. Менделя составляют фундамент классической генетики. В 40-х годах 20 века обнаружение несовместимости крови по резус-фактору у матери и плода Бидлом и Тейтемом, заложило основы биохимической генетики. Молекулярная биология как самостоятельная наука сформировалась к 1953 году, когда трое ученых Френсис Кирк, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс описали модель строения ДНК. В работе Эллисона была доказана роль инфекционных болезней в формировании генофонда человека, установившего связь между малярией и частотой гена серповидноклеточности среди населения западной Африки. Только в 1956 году Тио и Леван доказали, что диплоидный набор человека состоит из 46, а не 48 хромосом. О роли нарушения последовательности кодирования белков была открыта на примере замены глутамина Валином в шестом положении в цепи гемоглобина у больных с серповидноклеточной анемией, что дало толчок к быстрому росту исследований в генетике с позиции молекулярной биологии. Были достигнуты успехи в расшифровке причин возникновения некоторых хромосомных аномалий у человека (наличие лишних хромосом, или утрата одной из пары гомологичных хромосом), роли половой Y хромосомы в формировании будущего пола ребенка, начаты работы по изучению деления хромосом и их визуальной идентификации с помощью специальных реагентов приводящих к задержке деления клеток и при последующей их окраске к формированию специфического полосатого вида (чередования участков окрашенности и ее отсутствия в хромосоме), что дало возможность определять кариотип (набор хромосом) у человека и выявлять те или иные хромосомные аномалии. Это дало возможность еще внутриутробно с помощью метода амниоцентеза забирать на исследование амниотическую жидкость и выявлять возможность наследования у данного ребенка какой-либо генетической аномалии, особенно в семьях с наличием генетических заболеваний. Более того, на основании хромосомных мутаций была показана их роль в формировании лейкоза у человека, филадеьфиская хромосома при злокачественном миелолейкозе. Появились работы изучавшие роль не только ДНК, но и различных РНК (рибонуклеиновых кислот), в частности роль транспортной – тРНК в передаче последовательности кодирования белковых молекул и их сборки. В 70-х годах 20 века формируется новое направление молекулярной генетики – генетическая инженерия, обусловленная тем, что человечество научилось рекомбинировать последовательность ДНК и тем самым конструировать искусственные белки, например, инсулин, соматотропин, интерфероны, цитокины и многое другое. Важнейшим достижением стало открытие карт хромосом насекомых, животных и в последние годы человека5.
Глава 2. Молекулярные основы наследственности
ДНК биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах. Структура ДНК полимер, структурная единица нуклеотид. Нуклеотид состоит из азотистого основания пуринового (Аденин или Гуанин) или пиримидинового (Цитозин или Тимин), углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо) и остатка фосфорной кислоты (HPO-3). Двойная спираль ДНК правосторонняя, 10 пар оснований составляют полный оборот 3600, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 градусов вокруг спирали относительно следующей пары. Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания внутри и расположены с интервалом 34 нанометра (нм). Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси. В ДНК количество Тимина равно количеству аденина, а гуанина – цитозину. Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5/ положения одного пентозного конца и 3/ положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, то есть сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5/-3/ связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5/ конца к 3/ концу – такая нить называется смысловой ДНК, здесь расположены гены. Вторая нить направления 3/ - 5/ считается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая нить играет большую роль в процессах репликации (удвоения) и репарации (восстановления структуры поврежденной ДНК). Основания в антипараллельных нитях образуются за счет водородных связей комплементарные пары: А+Т, Г+Ц. Таким образом, структура одной нити определяет последовательность нуклеотидов другой нити. Следовательно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны. Принцип комплементарности универсален для процессов репликации и транскрипции (считывания последовательности нуклеиновых оснований). Известно 6 форм структуры ДНК (полиморфизм ДНК – способность принимать различные конфигурации) описанные только для работ в пробирках (не в организме): В-форма это структура стандартная и похожа на модель, которую предложили Уотсон, Кирк и Уилкинсон – при низкой концентрации солей и высокой степени гидратации, является доминирующей. А-форма – обнаружена в более обезвоженных средах и при более высоком содержании ионов калия и натрия. С-форма – имеет меньше форм оснований на виток, чем В-форма. А, В, С – формы наиболее частые, в которых могут существовать все ДНК независимо от нуклеотидной последовательности. D- и Е-форма - возможны крайние варианты одной и той же формы, имеют большее число пар оснований на виток (8 и 7,5), выявлены в молекулах ДНК не содержащих гуанин. Z-форма - это зигзагообразная форма, с чередованием лево- и правоспиральности, выявляется при наличие ряда факторов: высокая концентрация солей и специфических катионов, высокое содержание отрицательных супервитков в молекуле ДНК, в участках обогащенных парами Г-Ц. знание структуры и функции ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Понятно, что сама ДНК не может играть роль матрицы при синтезе белков из аминокислот, так как почти вся она сосредоточена в хромосомах, а процесс сборки белков происходит в цитоплазматических рибосомах. Возникает вопрос а как передается генетическая информация для построения того или иного белка? Оказалось, что роль промежуточной макромолекулы играет РНК. Процесс считывания информации с ДНК РНК схематически выглядит так: вначале происходит репликация ДНК, транскрипционная РНК считывает обнажившиеся нуклеотидные основания и передает информацию (трансляция) для построения белка. В это схеме одинарная цепь ДНК выступает как матрица при синтезе комплементарных молекул ДНК (репликация), а РНК, в свою очередь, как матрица для последовательного соединения аминокислот с образованием полипептидных цепей белков в процессе трансляции.