Основные функции и структура белков



Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный педагогический университет

имени Максима Танка

 

 

О.В. Даливеля, Л.М. Кукушкина

Генетические нарушения и их проявление у лиц с особенностями психофизического развития

 

 

 

Минск 2008

 

 

Аннотация

 

К пособию О.В. Даливеля, Л.М. Кукушкиной «Генетические нарушения и их проявление у лиц с особенностями психофизического развития»

 

В доступной форме излагаются основы молекулярной генетики, необходимые для понимания причин возникновения генных и хромосомных мутаций, лежащих в основе наследственных болезней лиц, с особенностями психофизического развития. Изложены клинические симптомы наследственных хромосомных и генных болезней; типы наследования моногенных болезней.

Предлагаются задания для самоконтроля студентов.

Пособие адресуется студентам факультета специального образования, специалистам в области коррекционной педагогики и специальной психологии.


ВВЕДЕНИЕ

 

В 1865 году в Чехии монах Августинского монастыря Грегор Мендель, занимавшийся изучением гибридизации растений, обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Мендель показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде дискретных (обособленных) единиц. Сформулированные им закономерности наследования позже получили название законов Менделя и положили начало науке генетике, датой рождения которой считают 1900 год, когда основные выводы Менделя о независимом наследовании признаков и о численных соотношениях при "расщеплении" признаков в потомстве были вторично подтверждены исследованиями Карла Корренса, Эриха фон Чермака и Гуго Де Фриза.

Вскоре английский натуралист Уильям Бэтсон ввёл в употребление название новой научной дисциплины: генетика (в 1905 г. в частном письме и в 1906 г. публично). В 1909 году датским ботаником Вильгельмом Йоханнсеном введён в употребление термин «ген».

Важным вкладом в развитие генетики стала хромосомная теория наследственности, разработанная американским генетиком Томасом Хантом Морганом с сотрудниками в 1911 г. Они изучали закономерности сцепленного наследования, что позволило путем анализа результатов скрещиваний составить карты расположения генов в "группах сцепления" и сопоставить группы сцепления с хромосомами.

Огромный вклад в становление и развитие генетики внесли советские ученые. В 1925-1927 гг. рядом генетиков бывшего СССР Г.А. Надсоном,
Г.С. Филипповым, И.А. Раппопортом и зарубежными учеными Г. Меллером и Л. Стадлером была экспериментально доказана мутационная изменчивость генов под воздействием различных факторов окружающей среды (рентгеновские лучи, этиленимин). Эти работы положили начало таким направлениям, как химический и радиационный мутагенез.

С.С. Четвериков с сотрудниками (1926-1929) проведя многочисленные исследования частот генов в популяциях, стали основоположниками популяционной и эволюционной генетики. Н.К. Кольцов в 1928 г. выдвинул предположение о матричной ауторегуляции хромосом, о связи генов с конкретным химическим веществом – белковым радикалом.

Неоценимый вклад в развитие мировой и отечественной генетики внес академик Н.И. Вавилов. Им сформулирован закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и закон генетических основ селекции, собран самый большой генофонд культурных растений мира.

С 1940-1950 гг. началась эпоха молекулярной генетики. Появились неопровержимые доказательства ведущей роли ДНК в передаче наследственной информации. Важнейшими шагами стали расшифровка структуры ДНК (Дж. Уотсон, Ф. Крик, 1953), триплетного генетического кода (М. Ниренберг, 1961). В 1970 г. Т. Касперсон и А.Ф. Захаров впервые добились дифференциального окрашивания хромосом, а Я. Кан положил начало молекулярно-генетической диагностике (1978). В 1983 г. К. Муллинсоном был открыт метод полимеразной цепной реакции, который лег в основу диагностики многих наследственных заболеваний. В результате международного сотрудничества описаны механизмы биосинтеза белка, расшифрованы геномы многих организмов, секвенирован геном человека.

Так что же такое современная генетика?

Генетика –фундаментальнаянаука, изучающая универсальные для всех живых организмов законы наследственности и изменчивости в единстве, так как наследственность консервативна по своей природе, а изменчивость порождает не только многообразие живой природы в целом, но и обеспечивает внутривидовое разнообразие. Процессы преемственности жизни изучаются генетикой на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях. В соответствии с методами исследования генетику подразделяют на биохимическую, физиологическую, молекулярную, популяционную. По отношению к объекту исследований различают генетику микроорганизмов, растений, животных, человека.

Наследственность – свойство живых организмов сохранять из поколения в поколение сходные признаки, обеспечивать функциональную преемственность, а также определенную схему индивидуального развития (онтогенеза) в определенных условиях среды.

Изменчивость – свойство живых организмов утрачивать имеющиеся или приобретать новые признаки, отличающие их от родительских форм, а также способность живых организмов реагировать на воздействия факторов среды морфофизиологическими изменениями. Основные формы изменчивости: наследственная (генотипическая) – обусловлена появлением мутаций и их комбинациями при скрещивании; ненаследственная (модификационная) – вызывается внешними условиями и жестко не закрепляется в генотипе; онтогенетическая – перемены в индивидуальном развитии организма или при дифференциации клеток; географическая – формирование особенностей у организмов одного вида под влиянием пространственно–географических факторов (формы, расы, подвиды и т.п.); качественная – коренное изменение свойств и структур; количественная – изменение величины или выраженности показателя.

Наследование –процесс передачи генетической информации через гаметы (при половом размножении) или соматические клетки (при бесполом размножении). Степень соотношения наследственности и изменчивости, или мера сходства родителей и детей, определяется понятием наследуемость.

Генотип – совокупность наследственных факторов (генов), получаемых организмом от родителей в момент оплодотворения.

Фенотип – признаки, проявляющиеся в результате реализации генотипа в определенных условиях среды.


ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКИ

 

Основные функции и структура белков

 

Белки играют важнейшую роль в жизнедеятельности любых организмов. Многообразие и сложность живой материи, по сути дела, отражают многообразие и сложность самих белков. Каждый белок имеет свою уникальную функцию, которая определяется присущими ему структурой и химическими свойствами. Некоторые белки являются ферментами, т.е. катализаторами биохимических реакций в живых организмах. Каждая химическая реакция катализируется определенным ферментом. Без участия ферментов подобные реакции не происходят вовсе, или протекают крайне медленно, что бы обеспечить саму возможность существования живых организмов. Другие белки – структурные – выполняют в организме роль строительных белков – или сами по себе (например, коллаген), или в комплексе с нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины), углеводами (гликопротеины) или липидами (липопротеины). Некоторые белки, вовлеченные в систему запаса и транспорта кислорода, связываются с функционально важными металлосодержащими органическими молекулами. Так, например, миоглобин и гемоглобин специфически связывают железосодержащую группировку, называемую гемом.

Белки – это большие полимерные молекулы, построенные из мономерных аминокислотных звеньев. В состав белков входят двадцать различных видов аминокислот. Все белковые аминокислоты (за исключением пролина) характеризуются общей структурой (рис. 1), обязательными элементами которой являются: аминогруппа, карбоксильная группа, водород и какой-либо радикал.

 

Рис. 1 Структурная формула аминокислот. NH2 – аминогруппа; COOH – карбоксильная группа; (H – атом водорода); радикал R – боковая группа.

 

Аминокислоты в белках связаны между собой прочными ковалентными пептидными связями, возникающими между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой следующей кислоты. Образующийся в результате такого взаимодействия олигомер называют пептидом.Аминокислоты, входящие в состав пептида часто называют аминокислотными остатками (табл.1). Структурную основу любого пептида составляет зигзагообразный остов, образованный атомами углерода и азота.

Таблица 1

Классификация аминокислот по природе боковых групп

Природа боковой группы Название аминокислоты Сокращение
Нейтральные глицин гли

Неполярные ароматические

триптофан три
фенилаланин фен
тирозин тир

Неполярные серосодержащие

метионин мет
цистеин цис

Неполярные алифатические

аланин ала
лейцин лей
валин вал
изолейцин иле
пролин про

Полярные, содержащие ОН-группу

серин сер
треонин тре

Полярные амиды

аспарагин асн
глутамин глн

Полярные «–» заряженные

аспарагиновая кислота асп
глутаминовая кислота глу

Полярные «+» заряженные

гистидин гис
лизин лиз
аргинин арг

 

Строение и функции ДНК

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических клетках. Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в 1953 г. Дж. Уотсоном и Френсисом Криком. Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые образуют правую спираль (винтовую линию) относительно одной и той же оси. Направление цепей взаимно противоположное. Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого является нуклеотид.

Нуклеотид состоит из: азотистого основания: пуринового – аденин (А) или гуанин (Г) или пиримидинового – цитозин (Ц) или тимин (Т); углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо); остатка фосфорной кислоты (НРО3*) (рис 2).

 

Аденин Тимин
Гуанин Цитозин
Дезоксирибоза Остаток фосфорной кислоты

 

Рис. 2 Структурные компоненты и строение нуклеотида ДНК

 

Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360о, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 о вокруг спирали относительно следующей пары. Сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри и их плоскости перпендикулярны оси спирали (рис. 3). Между основаниями образуются специфические водородные связи, в результате чего осуществляетсяся так называемое уотсон–криковское спаривание. Аденин всегда образует водородные связи с тимином, а гуанин с цитозином. Такая закономерность называется комплементарностью.Комплементарность это  определенная последовательностей оснований в противоположных цепях ДНК. Данная закономерность очень важна для репликации ДНК.

 

 
Рис. 3. Схема структуры участка ДНК

 

Соотношение между числом разных оснований в ДНК установлены Чаргаффом в 1949 г. и сыграли важную роль в построении двойной спирали. Чаргафф обнаружил, что у ДНК самого разного происхождения количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина. Эта закономерность была названа «правилом Чаргаффа» и выражается так: А = Т; Г = Ц. Таким образом, более объемные пурины всегда спариваются с пиримидинами, имеющими меньшие размеры. Это приводит к тому, что расстояния между С1’- атомами дезоксирибозы в двух цепях оказываются одинаковыми для АТ- и ЦГ- пар. В результате АТ- и ГЦ-пары включаются в двойную спираль без какого-либо заметного изменения геометрии остова. Цепи удерживаются вместе водородными связями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси (рис.4).

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахаро–фосфатный остов ДНК состоит из 5’–3’ связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5’ конца к 3’ концу – эта 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 и репарации ДНК. Таким образом, структура одной нити определяет последовательность нуклеотидов другой нити, так, что последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.

 

Рис. 4. Модель вторичной и пространственной структуры ДНК

 

Знание структуры и функций ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, протекающих в клетке. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матрицы при синтезе белков из аминокислот, так как почти вся ДНК находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как почти все клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Таким образом, генетическая информация, заключенная в ДНК, должна передаваться какой-то промежуточной молекуле, которая транспортируется в цитоплазму и участвует в синтезе полипептида. Такой промежуточной молекулой служит РНК (рибонуклеиновая кислота). Взаимоотношения ДНК, РНК и белка представлены на рис.5.

 

Рис. 5. Схема взаимоотношений ДНК, РНК и белка

 

Строение и функции РНК

 

РНК – рибонуклеиновая кислота, имеет много общего со структурой ДНК, но отличается рядом признаков:

  • углеводом РНК, к которому присоединяются пуриновые или пиримидиновые основания и фосфатные группы, является рибоза (рис.5);
  • в состав РНК, как и в состав ДНК, входят азотистые основания аденин, гуанин и цитозин. Но вместо тимина РНК содержит урацил (рис.6);
  • в отличие от двухцепочечной ДНК, РНК – одноцепочечная молекула.

 

 

Рибоза Урацил

 

Рис. 6 Структурные компоненты РНК

 

РНКбывают разных типов: информационная или матричная (мРНК), транспортная (тРНК), рибосомальная (рРНК), в ядре клеток эукариот содержится гетерогенная ядерная (гяРНК). Матричная РНК является копией (транскриптом) соответствующей ДНК. Эта копия служит матрицей для синтеза белка.

Молекулы транспортной РНК (рис.7) узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) и переносят нужную аминокислоту к растущей полипептидной цепи. Узнавание кодона в мРНК осуществляется с помощью трех последовательных оснований в тРНК, называемых антикодонами.Аминокислотный остаток может присоединяться к 3’-концу молекулы тРНК. Считают, что для каждой аминокислоты имеется, по крайней мере, одна тРНК. Молекула тРНК содержит около 75 нуклеотидов, ковалентно связанных друг с другом в линейную цепочку. Эту структуру называют «клеверным листом». Его конфигурация возникает благодаря нескольким внутрицепочечным комплементарным участкам. Молекулы всех видов тРНК имеют 4 основных плеча. Акцепторноеплечо заканчивается последовательностью ЦЦА (5’–3’). Через 3’ происходит связывание с карбоксильной группой аминокислоты. Остальные плечи тоже состоят из стеблей, образованных комплементарными парами оснований и петель из неспаренных оснований. Антикодоновое плечо узнает нуклеотидный триплет (кодон).

 

Рис. 7. Схематичное строение молекулы транспортной РНК

 

 

Генетический код

 

Генетический код – единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв А, Т, Ц, Г, соответствующих нуклеотидам ДНК. Поскольку в белках встречается 20 различных аминокислот, то каждая не может кодироваться одним или двумя нуклеотидами (будет закодировано только 42=16 аминокислот). Наименьшая возможная длина «слова», определяющая аминокислоту, состоит из трех нуклеотидов (число возможных триплетов равно 43=64). Из 64 кодонов три – УАА, УАГ, УГА – не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами. Позднее было показано, что они являются терминирующими кодонами (ТК) (табл.2).


Таблица 2.

Таблица генетического кода

 

Второй нуклеотид кодона

Первый нуклеотид кодона

  У Ц А Г  

Третий нуклеотид кодона

У

Фен Сер Тир Цис У
Фен Сер Тир Цис Ц
Лей Сер ТК ТК А
Лей Сер ТК Три Г

Ц

Лей Про Гис Арг У
Лей Про Гис Арг Ц
Лей Про Глн Арг А
Лей Про Глн Арг Г

А

Иле Тре Асн Сер У
Иле Тре Асн Сер Ц
Иле Тре Лиз Арг А
Мет Тре Лиз Арг Г

Г

Вал Ала Асп Гли У
Вал Ала Асп Гли Ц
Вал Ала Глу Гли А
Вал Ала Глу Гли Г

Свойства генетического кода:

· Генетический код триплетен. Триплет (кодон) – последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.

· Вырожденность генетического кода обусловлена тем, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (аминокислот 20, а триплетов –64), исключение составляют метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Три триплета ТК– это стоп-сигналы, прекращающие синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК.

· Однозначность – каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота. Следует отчетливо понимать принципиальное отличие двух важнейших свойств – вырожденности и однозначности, одновременно присущих генетическому коду.

· Код не перекрывается, т.е. в последовательности оснований АБВГДЕЖЗИК первые три основания, АБВ, кодируют аминокислоту 1, ГДЕ – аминокислоту 2 и так далее. Если бы код был перекрывающимся, то кислоту 2 могла бы кодировать последовательность ВГД. В коде отсутствуют запятые, т.е. нет знаков, отделяющих один кодон от другого.

· Генетический код универсален, т.е. вся информация в ядерных генах для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (например, бабочка, ромашка, рак, лягушка, удав, орел, человек), кодируется одинаково.

 

Матричные процессы в клетке

 

Репликация ДНК

Репликацией или редупликацией (удвоением) ДНК называют ее синтез. Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией, которая должна передаваться полностью и с высокой точностью. Репликация ДНК происходящее в синтетическую (S) стадию интерфазы перед каждым делением клетки. Информация, необходимая для репликации ДНК, заложена в ее структуре. Поскольку нити ДНК комплементарны друг другу, т.е. основания в парах дополняют друг друга, каждая цепь автоматически поставляет информацию для образования дочерней цепи (рис. 8).

Такой тип репликации называется полуконсервативным. При этом две нити ДНК расплетаются (как застежка-молния) и каждая цепь служит матрицей для образования новой. При репликации молекула ДНК постепенно разделяется специальным ферментом на две половины в продольном направлении. По мере того, как открываются нуклеотиды разделяемой молекулы, к ним достраиваются свободные нуклеотиды, ранее синтезированные в цитоплазме. В итоге каждая половинная спираль снова становиться целой. Таким образом, дочерние клетки первого поколения получают одну цепь ДНК от родителей, а вторая является вновь синтезированной. Такой же процесс повторяется при образовании дочерних клеток 2-го поколения из клеток первого поколения. И только две из четырех дочерних клеток второго поколения содержат по одной родительской цепи ДНК. Остальные две дочерние клетки имеют вновь синтезированные молекулы.

 

Рис. 8. Схема репликации ДНК

 

Структура, которая образуется во время репликации, называется репликативной вилкой (рис.9). Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Этот фермент присоединяет комплементарный нуклеотид к матричной цепи. Например, к нуклеотиду А матричной цепи полимераза присоединяет нуклеотид Т, и соответственно, к нуклеотиду Г – нуклеотид Ц. Фермент способен наращивать ДНК только на 3΄– конце. Поскольку молекула ДНК антипараллельна, разные ее концы называются 3΄-конец и 5΄- конец. При синтезе новых копий на каждой нити одна новая нить удлиняется в направлении от 5΄ к 3΄ , а другая – в направлении от 3΄ к 5-концу. Однако 5΄ конец ДНК-полимераза наращивать не может. Поэтому синтез одной нити ДНК, той, которая растет в "удобном" для фермента направлении, идет непрерывно (она называется лидирующая или ведущаянить), а синтез другой нити осуществляется короткими фрагментами (они называются фрагментами Оказаки в честь ученого, который их описал, у эукариот имеют последовательность 100–200 нуклеотидов). Потом эти фрагменты сшиваются, и такая нить называется запаздывающей, в целом репликация этой нити идет медленней.

 

Рис.9. Схема строения репликативной вилки

 

 


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 355; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!