Генетический код и его свойства.

Генетический код – свойственная живым организмам система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, отражающих аминокислотную последовательность в молекуле белка.

Свойства генетического кода:

1. Триплетность – каждой аминокислоте соответствует сочетание из 3-х нуклеотидов, последовательно расположенных в цепи ДНК. Из 4-х элементов (нуклеотидов) по 3 можно составить 64 различных сочетания - триплета, - что с избытком достаточно для кодирования всех 22-х альфа-аминокислот. Причем, 61 триплет кодирующий, т. е. им соответствует какая либо аминокислота, а 3 триплета не соответствуют ни одной аминокислоте. Эти триплеты – сигналы окончания синтеза полипептидной цепи. Необходимость таких триплетов вызвана тем, что в ряде случаев на и-РНК осуществляется синтез нескольких полипептидных цепей, для отделения их друг от друга и используются указанные триплеты. Их называют «стоп-кодоны» или «нонсенс-кодоны».

2. Однозначность или специфичность – каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.

3. Избыточность или вырожденность – каждая кислота может быть зашифрована более чем одним кодоном, или триплетом. Например, аминокислоте глицин соответствует 4 кодона: ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ. Но чаще у аминокислот их 2 – 3.

4. Универсальность – все живые организмы имеют один и тот же генетический код от амёбы до человека. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех живых существ. Это свойство генетического кода подтверждает единство происхождения всего живого на Земле и эволюцию живого.

5. Непрерывность – между кодонами внутри гена нет промежутков, знаков препинания, точек, тире. При считывании информации с молекулы ДНК ген транскрибируется полностью, всегда целиком. Ген – наименьшая функционально неделимая единица наследственной информации.

6. Неперекрываемость – информация всегда списывается по три нуклеотида, триплетами. Конечный нуклеотид одного триплета не может служить началом следующего. Поскольку генетический код подобен языку, разберём это его свойство на примере такой, составленной из триплетов (слов, в которых три буквы), фразы: жил был кот тих был сер мил мне тот кот. Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания. Если же мы уберём в слове «кот» букву «т», поскольку следующее слово всё равно начинается этой буквой и, возможно, достаточно одной (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв (триплетность генетического кода), то получится бессмыслица: жил был кот ихб ылс ерм илм нет отк от… Бессмыслица возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который считывается с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном. Поэтому ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания.

5. Свойства гена.

Первичные функции генов – редупликация ДНК и программирование синтеза белка в клетке.

Механизм реализации наследственной информации в признаки органима:

ДНК(a)-фрагмент

(б)-фрагмент

и-РНК-фрагмент

т-РНК-фрагмент

полипептид-

фрагмент

Свойства генов – способность рекомбинироваться и мутировать.

Рекомбинация – это перераспределение генетического материала родителей в потомстве, приводящее к наследственной комбинативной изменчивости. Целенаправленное получение рекомбинантных (гибридных) ДНК лежит в основе генетической инженерии.

Мутации – внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Большинство мутаций вредны для организма, нередко мутантный ген может обусловить наследственное заболевание, уродство и даже гибель развивающегося организма.

6. Генная инженерия и биотехнология.

Генная инженерия – раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием in vitro новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена, т. е. белки. С последующим клонированием нужного гена. Это совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных ДНК и РНК, выделение генов из организма (клеток), осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы.

Перестройка генотипа, манипулирование с генами проводятся преимущественно на прокариотических организмах (бактериях). В результате встраивания в генотип ранее отсутствовавшего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые она раньше не синтезировала. Многие из белков, синтезируемых в клетках бактерий, животных или растений, представляют большую практическую ценность для медицины, промышленности, однако производятся клетками в очень малых количествах. Поэтому использование их затруднено или невозможно. Так важное значение для медицины могло бы иметь производство белкового гормона роста. Встречаются дети, рост которых задержан из-за недостатка в организме этого гормона. Такие дети на всю жизнь остаются лилипутами. Введение этого гормона обеспечило бы им нормальный рост. Или, например, в генотип бактерии кишечной палочки удалось ввести ген из генотипа человека, контролирующий синтез инсулина – гормона углеводного обмена. Это дало возможность решить проблему с поставкой инсулина для диабетиков.

Генотерапия – лечение больного гена путём введения в клетку короткой последовательности нуклеотидов ДНК, функцию которой они изменяют. Это трансформация генной инженерии в медицине.

Биотехнология – использование живых организмов и биологических процессов в производстве для народного хозяйства и медицины различных веществ. Традиционно приемы биотехнологии: хлебопечение, виноделие, пивоварение, сыроварение и т. д.). Современная биотехнология: биологическая очистка сточных вод, защита растений от вредителей и болезней, производство биопрепаратов – антибиотиков, ферментов, гормонов, кормовых добавок.

7. Понятие о молекулярных методах ДНК-диагностики моногенных заболеваний.

В основе анализа ДНК лежат две её особенности как носителя генетической информации:

-последовательность нуклеотидов, индивидуальная для каждого отдельного человека, кроме однояйцевых близнецов;

-одинаковая структура ДНК во всех соматических клетках у человека.

ДНК может быть выделена из любого типа тканей или клеток организма, содержащих ядра. Чаще всего используют для получения образцов ДНК лейкоциты периферической крови и клетки ворсин хориона.

Методы диагностики ДНК включают направление по определению специфических нуклеотидных последовательностей – генное зондирование,или гибридизационный анализ, и метод полимеразной цепной реакции.

В первом случае осуществляется регистрация последовательностей небольшой длины, до 30 пар нуклеотидов, с помощью зондов – участков ДНК, синтезированных с радиоактивным мечением. Такие зонды гибридизовались с изучаемыми образцами ДНК (по Саузерну). Зонд специфически соединиться либо с нормальным, либо с мутантным геном (комплиментарные связи) и патология выявится путём обнаружения радиоактивных импульсов. В настоящее время этот метод проводится для диагностики талассемий, фенилкетонурии, недостаточности альфа-антитрипсина.

Второй метод, имитирующий естественную репликацию ДНК, позволяет обнаружить и многократно копировать определённый фрагмент ДНК, который в дальнейшем подвергается электрофорезу и анализу. ПЦР (полимеразная цепная реакция) используется в дородовой диагностике, когда по материалу ворсин хориона или других клеток плода, в течении двух дней можно дать ответ о наличии или отсутствии у будущего ребёнка мутантного аллеля. На ранних сроках беременности это позволяет врачам принять решение о ведении беременности, коррекции дефекта, подготовки семьи к ожидаемому событию.

С помощью методов ДНК-диагностики можно маркировать как нормальный, так и «патологический» ген, определять его наличие у членов семьи, выявлять в гомо- или гетерозиготном состоянии.

Кроме того, ДНК-технологии находят применение в исследованиях для определения происхождения популяций людей, в практике судебной медицины, для определения отцовства или степени родства, для генетического анализа клеток костного мозга при его трансплантации от донора реципиенту, для расшифровки генома человека.