ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ С УЧАСТИЕМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Генетическая информация, носителем которой являются молекулы ДНК, организована в функциональные участки, называемые генами. В виде генов ДНК хранит запас генетической информации, необходимой для кодирования аминокислотной последовательности всех белков и первичной структуры всех разновидностей РНК (рибосомальных, р-РНК; матричных, м-РНК; транспортных, т-РНК), регулирует во времени и пространстве биосинтез компонентов клеток и тканей, определяет деятельность организма в течение его жизненного цикла и обеспечивает индивидуальность данного организма.

Молекулы ДНК, эукариот (ядерных организмов) связанны с ядерными белками – гистонами и ядерной РНК в виде нуклеопротеидного комплекса, называемого хроматином (хроматиновая нить). В конденсированном виде (суперспиральном и уплотненном) хроматин находится в составе хромосом. В состав одной хромосомы входит одна двухцепочечная молекула ДНК. Общее количество ядерной ДНК и число хромосом, приходящееся на гаплоидный (n) геном половой клетки, очень сильно различается у разных видов организмов.

· Сохранение ДНК в ряду поколений (репликация ДНК)

Независимо от того, сожержит клетка только одну хромосому (как у прокариот) или много хромосом (как у эукариот) за период времени, соответствующий одному клеточному делению, весь геном должен быть реплицирован только один раз (геном – совокупность всех генов организма).

Во время деления клеток генетическая информация должна перейти в дочерние клетки. Для достижения этого молекула ДНК клетки у прокариот (или молекулы ДНК у эукариот) копируется в процессе репликации, при этом каждая ее цепь служит матрицей для синтеза комплементарной дочерней цепи. В процессе репликации происходит удвоение молекулы ДНК, т.е. образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской молекулы.

Каким образом процесс репликации ДНК связан с клеточным (митотическим) циклом?

Репликация (удвоение ДНК) осуществляется на стадии интерфазы клеточного цикла. Завершение репликации служит сигналом для клеточного деления (в клеточном цикле интерфаза сменяется далее фазой митоза – клеточного деления). Упрощенную схему клеточного цикла эукаиот можно представить следующим образом (дана в расчете на удвоение ДНК одной хромосомы):

В процессе митоза у эукариот дочерние молекулы ДНК включаются по одной в каждую дочернюю клетку. У прокариот используется, как полагают, какой-то другой механизм. В обоих случаях единицей включения является хромосома.

Синтез ДНК (репликация) начинается с расхождения цепей. Продуктами одно цикла репликации являются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, каждая из которых состоит из одной родительской (исходной) и одной (вновь синтезированной) дочерней цепи (на схеме показана штриховой линией), т.е. от одного поколения к другому передается одна из двух цепей, составляющих родительскую молекулу ДНК. Такой способ репликации носит название полуконсервативного. Гипотеза полуконсервативного способа репликации ДНК была экспериментально подтверждена в 1957 г. М. Мессельсоном и Ф. Сталем при изучении репликации ДНК кишечной палочки (E. coli)(см. учебник).

Решение упражнений

Участок родительской молекулы ДНК имеет следующий нуклеотидный состав: . . . ТААГГАЦААГТ . . .

. . . . АТТЦЦТГТТЦА . . .

Какой нуклеотидный состав будут иметь дочерние молекулы ДНК после одного цикла репликации, если она протекает по полуконсервативному механизму?

Решение. Поскольку одним из двух основных принципов строения молекулы ДНК является принцип антипараллельности цепей, то необходимо, используя условные обозначения, указать полярность цепей родительской молекулы ДНК: Дочерние цепи

(+) 5′р . . . ТААГГАЦААГТ . . .3′

(-) 3′ . . . АТТЦЦТГТТЦА . . .р′5

(+) 5′р . .ТААГГАЦААГТ . . .3′

(-) 3′ . . . АТТЦЦТГТТЦА . . . .р′5

родительская (+) 5′р . . . ТААГГАЦААГТ . . .3′

молекула ДНК (-) 3′ . . . АТТЦЦТГТТЦА . . .р′5

дочерние молекулы

ДНК после одного

цикла репликации

Далее необходимо дать краткую информацию о сущности процесса репликации ДНК и его основных принципах, составляющих химическую основу биологических функций ДНК; объяснить сущность полуконсервативного способа репликации и привести его экспериментальные доказательства. Для объяснения задания необходимо проработать изложенный выше теоретический материал (раздел 3), а также материал учебника «Репликация ДНК, ее механизм и способы».

· Экспрессия генетической информации

Под термином «экспрессия» понимают выражение генетической информации в фенотипе (фенотип – совокупность внешних признаков организма, которые формируются на основании генотипа (совокупности генов организма) и среды). Экспрессия генетической информации, содержащейся в генах (участках ДНК), реализуется с участием нуклеиновых кислот по схеме: