Молекулярно-генетические основы наследственности

Число возможных триплетов, которые образуются четырьмя нуклеотидами, соответствует 43 = 64. Такого количества триплетов вполне достаточно, чтобы зашифровать 20 наиболее распространенных в природе аминокислот, входящих в состав белка.

Таким образом, расшифровка биологического кода показала, что он:
1. триплетен (одна аминокислота кодируется тремя рядом стоящими нуклеотидами);
2. специфичен (один и тот даже триплет кодирует только одну определенную аминокислоту).
3. универсален (он применим для всех живых организмов);
4. вырожден (то есть одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими различными триплетами);
5. однонаправлен (считывание информации происходит только в одном направлении);
6. не перекрываем (то есть каждый нуклеотид входит в состав только одного триплета и занимает в нем строго определенное место).

Репликация наследственного материала
Репликация включает несколько этапов:
1. Разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями двух полинуклеотидных цепей осуществляет фермент ДНК-геликаза, расплетая двойную спираль ДНК.
2. ДНК-топоизомераза разрывает фосфодиэфирную связь в одной из полинуклеотидных цепей ДНК, снимая напряжение, вызываемое расплетением спирали и расхождение цепей в репликационной вилке.
3. Дестабилизирующие белки выпрямляют участок ДНК, растягивают одиночные цепи ДНК, не позволяя им сомкнуться, и делают азотистые основания свободными для связывания с комплементарными нуклеотидами.
4. В области репликацинной вилки действуют ферменты ДНК-полимеразы: на ведущей (лидирующей) и отстающей (запаздывающей) цепях. На ведущей цепи ДНК-полимераза работает непрерывно, а на отстающей фермент время от времени прерывает и вновь возобновляет свою работу, используя короткие молекулы РНК-затравки, синтезируемые ферментом ДНК-праймазой.

5. ДНК-праймаза синтезирует одну РНК-затравку ("праймер") для лидирующей цепи и для каждого фрагмента ДНК (фрагмента Оказаки) в запаздывающей, У прокариот фрагменты Оказаки содержат от 1000-2000 нуклеотидов. У эукариот значительно короче- 100-200 нуклеотидов. Молекула ДНК-праймазы непосредственно связана с ДНК-геликазой, образуя структуру, называемую ПРАИМОСОМОЙ, которая движется в направлении 3 раскрывания репликационной вилки и по ходу движения синтезирует РНК-затравку для фрагментов Оказаки. В этом же направлении движется ДНК -полимераза ведущей цепи и ДНК-полимераза отстающей цепи. Для этого, как полагают, последняя накладывает цепь ДНК, которая служит ей матрицей, саму на себя, что и обеспечивает разворот ДНКполимеразы отстающей цепи на 180°. Согласованное движение двух ДНК-полимераз обеспечивает координированную репликацию обеих нитей.
6. РНК-затравка, не обладающая корректирующей активностью, отличается от новосинтезированной цепи ДНК, поскольку состоит из рибонуклеотидов и в дальнейшем удаляется с помощью специфической рибонуклеазы. Образовавшиеся бреши достраиваются комплементарными участками ДНК.
7. Соединение синтезированных фрагментов ДНК (фрагментов Оказаки) происходит с помощью фермента ДНК-лигазы в запаздывающей нити ДНК.

В результате репликации в дочерних молекулах ДНК одна полинуклеотидная цепь является вновь синтезированной, а другая - ранее входила в состав материнской молекулы ДНК. Такой способ синтеза называется полу консервативным.

Репаративный синтез ДНК
Она осуществляется в 5 этапов:
1. Фермент эндонуклеаза надрезает цепочку ДНК в месте возникновения повреждения.
2. Фермент нуклеаза вырезает поврежденный участок.
3. Фермент экзонуклеаза расширяет брешь.
4. ДНК-полимераза латает брешь, синтезируя участок ДНК комплементарно неповрежденной цепочке.
5. Ферменты лигазы сшивают вновь построенный участок со старым, и целостность ДНК восстанавливается.

Пигментная ксеродерма
Группа заболеваний, при которых отмечается повышенная чувствительность кожи к солнечным лучам (покраснение, пигментация, изъязвления, злокачественные образования). Это рецессивно-аутосомное заболевание. Фибробласты кожи больных людей более чувствительны к ультрафиолетовым лучам, чем фибробласты здоровых людей. Это связано с тем, что они обладают пониженной способностью выщеплять димеры тимина, следовательно, имеет место нарушение репарации на первом ее этапе, то есть произошла мутация в гене, кодирующем синтез ультрафиолетовой специфической эндонуклеазы. Возможны нарушения и на других этапах репарации ДНК или даже на нескольких этапах.

Атаксия
Прогрессирующая атаксия мозжечка с нарушением координации движений, телеангиоэктазия склер. В этом случае сильно запаздывает второй этап репарации - удаление поврежденных оснований молекулы ДНК.

На нити ДНК в структуре гена могут возникнуть и нерепарируемые изменения - генные или точковые мутации:
1. Миссенс-мутация. Связаны с заменой одного нуклеотида на другой. В результате такой 6 мутации возникло заболевание серповидноклеточная анемия. У гомозиготных носителей этого гена в эритроцитах содержится гемоглобин S, отличающийся от нормального гемоглобина. А только одной аминокислотой, потерявшей способность легко связывается с кислородом.
2. Нонсенс-мутация. Связана с образованием бессмысленных кодонов (УАА, УАГ, УГА).
3. Мутация со "сдвигом рамки". Наблюдаются при вставке или выпадении одного нуклеотида.

Выявлены механизмы, снижающие частоту фенотипического проявления мутаций и биологические антимутагенные факторы:
1. триплетность и вырожденность генетического кода;
2. диплоидность (гетерозиготность) генотипа. Мутации чаще всего рецессивные и проявляются только в гомозиготном состоянии;
3. повторы генов на нити ДНК;
4. репаративные процессы;
5. метилирование ДНК (присоединение метильной группы СНз под действием фермента метилазы) предохраняет ДНК от действия рестриктаз (ферментов, расщепляющих ДНК). С возрастом процесс метилирования усиливается.

Обеспечение реализации наследственной информации. Роль РНК.
В ядре клеток эукарнот содержится РНК четвертого типа - гетерогенная ядерная РНК (гяРНК). В отличие от молекулы ДНК, РНК представляет собой одну полинуклеотидную цепь, включающую 4 разновидности нуклеотидов, содержащих остаток фосфорной кислоты, сахар-рибозу и одно из четырех азотистых оснований - аденин, гуанин, цитозин и урацил.

Средняя петля несет три нуклеотида (антикодон) комплементарных определенному кодону в молекуле иРНК, шифрующему данную аминокислоту. Так как один из нуклеотидов антикодона содержит нетипичное основание, которое может комплементировать с любым основанием кодона, то одна и та же тРНК способна узнавать несколько кодонов, различающихся по одну (главным образом третьему) основанию. В связи с этим в цитоплазме встречается около 40 видов различных тРНК, способных переносить 20 аминокислот.

Реализация наследуемой информации у эукариот
Входе реализации наследственной информации у эукариот выделяют следующие этапы:
1. Транскрипция;
2. Посттранскрипционные процессы (процессинг);
3. Трансляция;
4. Посттрансляционные процессы

Транскрипция
РНК-полимераза находит промотор, взаимодействует с ним и после этого, двигаясь вдоль молекулы ДНК, обеспечивает постепенную сборку молекулы иРНК в соответствии с принципом комплементарности и антипараллельности.

Основные фазы трансляции:
1) инициация;
2) элонгация;
3) терминация.

Инициация трансляция предполагает следующие события:
• с помощью колпачка иРНК находит в цитоплазме малую субъединицу рибосомы;
• с помощью лидерной последовательности устанавливается связь с комплементарным участком определенной фракции рРНК и иРНК прикрепляется к малой субъединице;
• к стартовому кодону (АУГ) присоединяется тРНК, несущая формилметионин;
• малая субъединица ассоциируется с большой субъединицей в аминоацильном центре (АЦ), в которой располагается формилметионин.