Основи молекулярної генетики

Для того щоб відбувалися процеси передачі майбутнім поколінням ознак і особливостей розвитку організмів, хромосомна речовина повинна мати здатність до точного подвоєння та формування величезної різноманітності генів, які існують у природі.

Матеріальний носій спадковості.

У середині XX ст. було доведено, що носієм генетичної інформації є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) — органічна сполука, яка разом із білком утворює тіло хромосоми.

ДНК має ланцюжкову молекулярну будову, що забезпечує здатність до подвоєння та утворення безлічі типів поєднань її елементарних одиниць — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з трьох частин: азотистої основи (О), вуглеводного компонента (дезоксирибози — Д) та залишку фосфорної кислоти (Ф) (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Будова окремого нуклеотиду (вгорі) та фрагмента одинарного ланцюжка ДНК

У ланцюжку ДНК окремі нуклеотиди з'єднані один з одним через фосфорну кислоту міцним хімічним зв'язком. Вуглеводний та фосфорний компоненти у всіх нуклеотидів однакові, але основ є чотири типи: аденін, цитозин, гуанін та тимін. Для запису генетичного коду їх позначають буквами А, Ц, Г і Т відповідно.

Молекула ДНК утворена двома такими ланцюжками, які з'єднуються між собою слабкими водневими зв'язками через основи. Основи пари підходять одна одній, як ключ і замок. Аденін завжди парується з тиміном, а гуанін — із цитозином (рис. 2.11, 2.12). Завдяки комплементарній (доповнювальній) будові ця подвійна молекула здатна точно відтворювати себе, утворюючи ідентичні подвійні молекули.

Рис. 2.11. Модель будови ДНК (за Ф. Вотсоном та Дж. Кріком)

Перед подвоєнням ДНК слабкі водневі зв'язки між основами рвуться і дві напівмолекули розходяться, як застібка-блискавка. Після цього на кожній з них добудовується нова комплементарна половинка, внаслідок чого утворюються дві нові молекули ДНК, абсолютно ідентичні початковій. Одна з них має стару "праву" сторону і нову "ліву", а інша, навпаки, — стару "ліву" та нову "праву" (рис. 2.13). Однак це лише модель, а насправді процес набагато складніший.

Оскільки основи в молекулі ДНК розташовані лінійно (одна за одною), то кількість комбінацій їх взаємного розташування практично необмежена, хоча основ усього чотири. Наприклад, якщо один ген містить 500 основ, то можна отримати 4500 способів їх розташування. Така комбінативна властивість забезпечує існування великої кількості різноманітних генів.

Рис. 2.12. Хімічна будова молекули ДНК:

А — аденін, Т — тимін, Г — гуанін, Ц — цитозин,

Ф — залишок фосфорної кислоти, Д — дезоксирибоза

Рис. 2.13. Подвоєння ДНК (за Ф. Вотсоном та Дж. Кріком)

ДНК міститься у хромосомах разом з білками (гістоновими та негістоновими) і невеликою кількістю РНК. У кожній хромосомі є лише одна молекула ДНК. Під час поділу клітини хромосоми значно вкорочуються, потовщуються і їх можна побачити під мікроскопом. Це відбувається внаслідок багаторівневої спіралізації молекули ДНК (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Схематична будова хромосоми

Ген та його основна функція.

Сучасній генетиці багато відомо про будову хромосом, структуру та функції ДНК, але вона ще неспроможна дати точне визначення гена. Згідно з найпоширенішим сучасним уявленням, ген — це невелика ділянка хромосоми, що виконує певну біохімічну функцію і здійснює специфічний вплив на структурні, фізіологічні та біохімічні властивості організму. Біохімічна функція гена полягає у тому, що він обумовлює синтез певного ферменту.

Ферменти — особливі білки, які в живих клітинах відіграють роль біологічних каталізаторів. За допомогою ферментів здійснюються всі біохімічні реакції обміну речовин та енергії в живих організмах. Гени містять інформацію про послідовність амінокислот у молекулах "первинних білків" — поліпептидів, що є ланцюжками із амінокислот, кількість яких варіює від шести до кількох десятків. Із певної кількості відповідних поліпептидів за допомогою особливих ферментів синтетаз утворюється молекула певного білка. Крім того, деякі поліпептиди в організмі можуть виконувати функції гормонів, біологічно активних речовин, антибіотиків тощо.

Генетичний код.

До складу білка належить 20 різних амінокислот, а типів основ ДНК — всього чотири. Інформація про послідовність основ у молекулі ДНК перетворюється на послідовність амінокислот у молекулі білка завдяки кодуванню однієї амінокислоти трьома основами. Функціональну генетичну одиницю з трьох основ називають триплетом (кодоном), а залежність порядку розташування амінокислот у молекулах поліпептидів від порядку розташування триплетів основ у молекулі ДНК — генетичним кодом (табл. 2.1).

Таблиця 2.1. Генетичний код інформаційної РНК

Примітка. Генетичний код ДНК містить комплементарні основи, а У замінений у ньому на Т.

Терм — термінатор (стоп-кодон); основи: А — аденін, Г — гуанін, Т — тимін, Ц — цитозин, У — урацил; амінокислоти: Ала — аланін, Apr — аргінін, Асн — аспарагін, Асп — аспарагінова кислота, Вал — валін, Гіс — гістидин, Глі — гліцин, Глу — глютамін, ІЛей — ізолейцин, Лей — лейцин, Ліз — лізин, Мет — метіонін, Про — пролін, Сер — серин, Тир — тирозин, Тре — треонін, Три — триптофан, Фен — фенілаланін, Цис — цистеїн.

61 код он визначає відповідні амінокислоти, і всі амінокислоти, за винятком триптофану та метіоніну, кодуються кількома кодонами. Кодони-синоніми зазвичай утворюють групи, в яких дві перші основи в кодоні є загальними, а третя варіює.

Генетичний код універсальний, бо в усіх живих організмів одні й ті самі амінокислоти кодуються одними і тими самими триплетами. Певна амінокислота може кодуватися більше ніж одним триплетом (кількість можливих триплетів 64, амінокислот — 20). Крім того, код не перекривається, тобто кожна основа може належати тільки одному триплету.

Механізм синтезу білків (поліпептидів) у клітині дуже складний. Він вимагає участі іншого виду нуклеїнових кислот — рибонуклеїнової кислоти (РНК) та особливих клітинних органел — рибосом (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Схема біосинтезу поліпептиду

Сучасні молекулярно-генетичні дослідження довели, що будова гена та принцип зчитування інформації для синтезу білка в еукаріотів (організмів, клітини яких мають справжнє ядро) відрізняються від будови гена та принципу зчитування інформації у прокаріотів (одноклітинних організмів, позбавлених справжнього ядра). Виявилося, що гени еукаріотів містять як кодовані ділянки, що несуть інформацію для синтезу специфічного білка, — екзоті, так і некодовані — інтрони. Причому некодованих ділянок може бути в кілька разів більше, ніж кодованих, а у людини з усієї генетичної ДНК лише приблизно 5% становлять кодовані ділянки.

Маючи таку будову один і той самий ген еукаріотів може нести інформацію для кодування не одного поліпептиду, як у прокаріотів, а, залежно від специфіки тканини, в котрій вони функціонують, великої кількості різних поліпептидів. Наприклад, деякі гени можуть нести код для синтезу майже 40 тис. поліпептидів. Це досягається шляхом зміни порядку зчитування кодованих ділянок гена. У людини, за сучасними даними, 74% генів працюють саме за таким принципом.

Гени в хромосомах. Хромосомна теорія спадковості стверджує, що гени у хромосомах розташовані лінійно. Місце в хромосомі, де розміщений певний ген, називають локусом цього гена. Певний локус може займати лише одна з форм одного й того самого гена — домінантна, рецесивна або інша. Такі різні положення гена називають алелями. Для більшості генів відомі лише домінантний і рецесивний алелі, але часто трапляється т. зв. множинний алелізм, коли існує низка положень певного гена.

Найпростішим прикладом множинного алелізму є успадкування груп крові у людини за системою АВО. Кожна людина має одну з чотирьох груп крові, які зумовлені взаємодією трьох множинних алелей одного й того самого гена — Iа, ів та /°. Алелі Iа та Ів є домінантними, а/0 — рецесивним. Сполучення пар алелей визначають такі групи крові:

I, або 0 — 1° 1°;

II, або А — Iа Iа, Iа 1°;

III, або В — Ів Ів, Ів 1°;

IV, або АВ — Iа Ів.

УIV групі крові домінування алеля не спостерігається, але відсутній і проміжний ефект. Кров цієї групи одночасно виявляє ознаки II та III груп.

Алелі гена, розташовані в тотожних локусах гомологічних хромосом, можуть бути однаковими — домінантними (АА) або рецесивними (аа). Таке поєднання пари алелей одного гена називають гомозиготним. Якщо ген представлений двома різними алелями (Аа), його стан буде гетерозиготним.