Тема: Структурно-функциональная организация наследственного материала
| Наследственность и изменчивость | Наследственность – способность передавать свои свойства следующим поколениям. Изменчивость – способность организмов изменяться. Наследственные изменения, закрепленные естественным отбором в процессе эволюции, ведут к развитию органического мира на Земле, создают его разнообразие и обеспечивают адаптацию организмов к условиям обитания. |
| Материальная основа наследственности | Материальной структурой наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты. У всех клеточных организмов наследственная информация содержится в ДНК. ДНК состоит из нуклеотидов, соединяющихся фосфодиэфирными связями в длинные цепи. Две цепи ДНК (за исключение некоторых вирусов) соединяются через азотистые основания по принципу комплементарности и образуют двойную спираль. |
| Наследственный материал вирусов | Наследственная информация у вирусов может содержаться либо в РНК, либо в одно- или двуцепочечных ДНК. Вирусы имеют ферменты, позволяющие им синтезировать ДНК на матрице РНК. Открытие таких ферментов – ревертаз заложило основу генной инженерии. |
| ДНК про- и эукариот | Прокариоты содержат одну кольцевую молекулу ДНК, средний размер которой – несколько миллионов пар нуклеотидов. Могут иметь дополнительный генетический материал – плазмиды. У эукариот – линейная двуцепочечная ДНК, соединенная с белками (гистоновыми и негистоновыми), образует хромосомы. Количество нуклеотидов в ДНК и количество хромосом может варьировать у эукариот в широких пределах. ДНК в основном находится в ядре, небольшая часть – в цитоплазме (в митохондриях и пластидах). |
| Ген – единица наследственность | Участок ДНК, кодирующий информацию об одном полипептиде, называется геном. Однако существуют гены, кодирующие рибосомальные или транспортные РНК. В то же время, есть полипептиды (например, иммуноглобулины), кодируемые двумя генами. Поэтому точное определение гена, удовлетворяющее всем случаям, дать сложно. Одно из последних определений гена – любая транскрибирующаяся последовательность нуклеотидов. |
| Геном про- и эукариот | Геном – совокупность нуклеотидов или генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом. Также в геном включаются цитоплазматические гены, а у прокариот - гены плазмид. В процессе эволюции величина генома увеличивалась. Геном прокариот может содержать несколько сотен генов и менее миллиона пар нуклеотидов (микоплазма). Геном круглого червя Caenorhabditis elegans - 100 млн. п.н., 19 тыс. генов, человека – около 3 млрд. пар нуклеотидов, 25 тысяч генов, из которых 37 - митохондриальные. |
| Структура генома про- и эукариот | Основную часть генома прокариот составляют гены и регуляторные участки ДНК. У эукариот такие участки составляют 10%, а 90% - некодирующая спейсерная ДНК. Данные об этой части ДНК, ее строении и функциях постоянно обновляются и уточняются. Показано, что значительная ее часть может транскрибироваться, однако функции этого транскрипта остаются непонятными. |
| Классификация нуклеотидных последовательностей у эукариот | 1. Представленные в единственном числе на геном (например, большинство генов ферментов) 2. Уникальные последовательности – гены, Умеренно повторяющиеся – гены с числом повторов от нескольких до нескольких сотен (гены гистонов, р-РНК и некоторые другие) 3. Высокоповторяющиеся последовательности – сателлитная ДНК, в которой число повторов может достигать нескольких миллионов. |
| Псевдогены, эндогенные вирусы и мобильные гены | Значительная часть ДНК эукариот может быть “загрязнена” генами, утратившими в процессе эволюции свои функции, а также вирусами. Часть из них мутировала и потеряла способность к транскрипции. Другая часть сохранила способность активировать гены ферментов, способных вырезать и переносить гены в другие части генома (мобильные элементы). Эндогенные вирусы могут вызывать целый ряд заболеваний, в том числе онкологических, а мобильные элементы являются причиной значительной части спонтанных мутаций. |
| Свойства наследственного материала | Основные свойства: 1. способность к репликации (удвоению) 2. транскрипция (переписывание информации на РНК) 3. рекомбинация (обмен участков ДНК) 4. способность мутировать (изменять последовательности нуклеотидов) 5. репарация (восстановление повреждений ДНК) |
| Свойства наследственного материала обеспечивают его функции | Основные функции наследственного материала: 1. Хранение и передача наследственного материала последующим поколениям клеток и организмов 2. Реализация наследственного материала в процессе онтогенеза Для сохранения наследственных свойств требуется точное удвоение ДНК, идентичное распределение генетического материала между дочерними клетками и исправление возникающих в процессе метаболизма ошибок и нарушений. Для приобретения новых свойств и признаков, необходимых для адаптации в процессе эволюции, происходят мутации и рекомбинации |
| Пространственная организация наследственного материала в клетке | Пространственная организация кольцевой ДНК прокариот и хромосом эукариот строго определенна и обеспечивает эффективное хранение и воспроизведение информации. Это достигается за счет соединения ДНК с белками хромосом и белками мембраны, ее спирализации и суперспирализации, образования петель. Компактная укладка хроматина позволяет упорядоченно расположить в ядре клетки молекулы ДНК, общей длиной более метра. В конденсированном гетерохроматине хранится нетранскрибируемая наследственная информация. В деспирализованном “рыхлом” эухроматине гены доступны для транскрипции. |
| Уровни организации хроматина у эукариот | 1. Нуклеосомный – соединение ДНК с гистонами, образование нуклеосом 2. Микрофибрилла (соленоид) 3. Петли (хромомеры) 4. Суперспираль метафазной хромосомы |
ЛЕКЦИЯ №3