Какая структура несет наследственные свойства организма
После открытия принципа молекулярной организации такого вещества, как ДНК в 1953 году, начала развиваться молекулярная биология. Далее в процессе исследований ученые выяснили как рекомбенируется ДНК, ее состав и как устроен наш человеческий геном.
Каждый день на молекулярном уровне происходят сложнейшие процессы. Как устроена молекула ДНК, из чего она состоит? И какую роль играют в клетке молекулы ДНК? Расскажем подробно обо всех процессах, происходящих внутри двойной цепи.
Что такое наследственная информация?
Итак, с чего все начиналось? Еще в 1868 нашли нуклеиновые кислоты в ядрах бактерий. А в 1928 г. Н. Кольцов выдвинул теорию о том, что именно в ДНК зашифрована вся генетическая информация о живом организме. Затем Дж. Уотсон и Ф. Крик нашли модель всем теперь известной спирали ДНК в 1953 году, за что заслужено получили признание и награду — Нобелевскую премию.
Что такое вообще ДНК? Это вещество состоит из 2 объединенных нитей, точнее спиралей. Участок такой цепочки с определенной информацией называется геном.
В ДНК хранится вся информация о том, что за белки будут формироваться и в каком порядке. Макромолекула ДНК — это материальный носитель невероятно объемной информации, которая записана строгой последовательностью отдельных кирпичиков — нуклеотидов. Всего нуклеотидов 4, они дополняют друг друга химически и геометрически. Этот принцип дополнения, или комплементарности, в науке будет описан позже. Это правило играет ключевую роль в кодировке и декодировании генетической информации.
Так как нить ДНК невероятно длинная, повторений в этой последовательности не бывает. У каждого живого существа собственная уникальная цепочка ДНК.
Функции ДНК
К функциям дезоксирибонуклеиновой кислоты относятся хранение наследственной информации и ее передача потомству. Без этой функции геном вида не мог бы сохраняться и развиваться на протяжении тысячелетий. Организмы, которые претерпели серьезные мутации генов, чаще не выживают или теряют способность производить потомство. Так происходит природная защита от вырождения вида.
Еще одна существенно важная функция — реализация хранимой информации. Клетка не может создать ни одного жизненно важного белка без тех инструкций, которые хранятся в двойной цепочке.
Состав нуклеиновых кислот
Сейчас уже достоверно известно, из чего состоят сами нуклеотиды — кирпичики ДНК. В их состав входят 3 вещества:
- Ортофосфорная кислота.
- Азотистое основание. Пиримидиновые основания — которые имеют только одно кольцо. К ним относят тимин и цитозин. Пуриновые основания, в составе которых присутствуют 2 кольца. Это гуанин и аденин.
- Сахароза. В составе ДНК — дезоксирибоза, В РНК — рибоза.
Число нуклеотидов всегда равно числу азотистых оснований. В специальных лабораториях расщепляют нуклеотид и выделяют из него азотистое основание. Так изучают отдельные свойства этих нуклеотидов и возможные мутации в них.
Уровни организации наследственной информации
Разделяют 3 уровня организации: генный, хромосомный и геномный. Вся информация, нужная для синтеза нового белка, содержится на небольшом участке цепочки — гене. То есть ген считается низший и самый простой уровень кодировки информации.
Гены, в свою очередь, собраны в хромосомы. Благодаря такой организации носителя наследственного материала группы признаков по определенным законам чередуются и передаются от одного поколения к другому. Надо заметить, генов в организме невероятно много, но информация не теряется, даже когда много раз рекомбенируется.
Разделяют несколько видов генов:
- по функциональному назначению выделяют 2 типа: структурные и регуляторные последовательности;
- по влиянию на процессы, протекающие в клетке, различают: супервитальные, летальные, условно летальные гены, а также гены мутаторы и антимутаторы.
Располагаются гены вдоль хромосомы в линейном порядке. В хромосомах информация сфокусирована не вразброс, существует определенный порядок. Существует даже карта, в которой отображены позиции, или локусы генов. Например, известно, что в хромосоме № 18 зашифрованы данные о цвете глаз ребенка.
А что же такое геном? Так называют всю совокупность нуклеотидных последовательностей в клетке организма. Геном характеризует целый вид, а не отдельную особь.
Каков генетический код человека?
Дело в том, что весь огромнейший потенциал человеческого развития заложен уже в период зачатия. Вся наследственная информация, которая необходима для развития зиготы и роста ребенка уже после рождения, зашифрована в генах. Участки ДНК и есть самые основные носители наследственной информации.
У человека 46 хромосом, или 22 соматические пары плюс по одной определяющей пол хромосоме от каждого родителя. Этот диплоидный набор хромосом кодирует весь физический облик человека, его умственные и физические способности и предрасположенность к заболеваниям. Соматические хромосомы внешне неразличимы, но несут они разную информацию, так как одна из них от отца, другая – от матери.
Мужской код отличается от женского последней парой хромосом — ХУ. Женский диплоидный набор — это последняя пара, ХХ. Мужчинам достается одна Х-хромосома от биологической матери, и затем она передается дочерям. Половая У-хромосома передается сыновьям.
Хромосомы человека значительно разнятся по размеру. Например, самая маленькая пара хромосом – №17. А самая большая пара – 1 и 3.
Диаметр двойной спирали у человека – всего 2 нм. ДНК настолько плотно закручена, что вмещается в маленьком ядре клетки, хотя ее длина будет достигать 2 метров, если ее раскрутить. Длина спирали — это сотни миллионов нуклеотидов.
Как передается генетический код?
Итак, какую роль играют в клетке молекулы ДНК при делении? Гены — носители наследственной информации – находятся внутри каждой клетки организма. Чтобы передать свой код дочернему организму, многие существа делят свое ДНК на 2 одинаковые спирали. Это называется репликацией. В процессе репликации ДНК расплетается и специальные «машины» дополняют каждую цепочку. После того как раздвоится генетическая спираль, начинает делиться ядро и все органеллы, а затем и вся клетка.
Но у человека другой процесс передачи генов – половой. Признаки отца и матери перемешиваются, в новом генетическом коде содержится информация от обоих родителей.
Хранение и передача наследственной информации возможны благодаря сложной организации спирали ДНК. Ведь как мы говорили, структура белков зашифрована именно в генах. Раз создавшись во время зачатия, этот код на протяжении всей жизни будет копировать сам себя. Кариотип (личный набор хромосом) не изменяется во время обновления клеток органов. Передача же информации осуществляется с помощью половых гамет — мужских и женских.
Передавать свою информацию потомству не способны только вирусы, содержащие одну цепочку РНК. Поэтому, чтобы воспроизводиться, им нужны клетки человека или животного.
Реализация наследственной информации
В ядре клетки постоянно происходят важные процессы. Вся информация, записанная в хромосомах, используется для построения белков из аминокислот. Но цепочка ДНК никогда не покидает ядро, поэтому здесь нужна помощь другого важного соединения = РНК. Как раз РНК способно проникнуть через мембрану ядра и взаимодействовать с цепочкой ДНК.
Посредством взаимодействия ДНК и 3 видов РНК происходит реализация всей закодированной информации. На каком уровне происходит реализация наследственной информации? Все взаимодействия происходят на уровне нуклеотидов. Информационная РНК копирует участок цепи ДНК и приносит эту копию в рибосому. Здесь начинается синтез из нуклеотидов новой молекулы.
Для того чтобы иРНК могла скопировать необходимую часть цепи, спираль разворачивается, а затем, по завершении процесса перекодировки, снова восстанавливается. Причем этот процесс может происходить одновременно на 2 сторонах 1 хромосомы.
Принцип комплементарности
Спирали ДНК состоят из 4 нуклеотидов — это аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Соединены они водородными связями по правилу комплементарности. Работы Э. Чаргаффа помогли установить это правило, так как ученый заметил некоторые закономерности в поведении этих веществ. Э. Чаргафф открыл, что молярное отношение аденина к тимину равно единице. И точно так же отношение гуанина к цитозину всегда равно единице.
На основе его работ генетики сформировали правило взаимодействия нуклеотидов. Правило комплементарности гласит, что аденин соединяется только с тимином, а гуанин – с цитозином. Во время декодирования спирали и синтеза нового белка в рибосоме такое правило чередования помогает быстро найти необходимую аминокислоту, которая прикреплена к транспортной РНК.
РНК и его виды
Что такое наследственная информация? Это последовательность нуклеотидов в двойной цепи ДНК. А что такое РНК? В чем заключается ее работа? РНК, или рибонуклеиновая кислота, помогает извлекать информацию из ДНК, декодировать ее и на основе принципа комплементарности создавать необходимые клеткам белки.
Всего выделяют 3 вида РНК. Каждая из них выполняет строго свою функцию.
- Информационная (иРНК), или еще ее называют матричная. Она заходит прямо в центр клетки, в ядро. Находит в одной из хромосом необходимый генетический материал для постройки белка и копирует одну из сторон двойной цепи. Копирование происходит снова по принципу комплементарности.
- Транспортная — это небольшая молекула, у которой на одной стороне декодеры-нуклеотиды, а на другой стороне соответствующие основному коду аминокислоты. Задача тРНК — доставить в «цех», то есть в рибосому, где синтезирует необходимую аминокислоту.
- рРНК — рибосомная. Она контролирует количество белка, который продуцируется. Состоит из 2 частей — аминокислотного и пептидного участка.
Единственное отличие при декодировании — у РНК нет тимина. Вместо тимина тут присутствует урацил. Но потом, в процессе синтеза белка, при ТРНК все равно правильно устанавливает все аминокислоты. Если же происходят какие-то сбои в декодировании информации, то возникает мутация.
Репарация поврежденной молекулы ДНК
Процесс восстановления поврежденной двойной цепочки называется репарацией. В процессе репарации поврежденные гены удаляются.
Затем необходимая последовательность элементов в точности воспроизводиться и врезается обратно в то же место на цепи, откуда было извлечено. Все это происходит благодаря специальным химическим веществам — ферментам.
Почему происходят мутации?
Почему некоторые гены начинают мутировать и перестают выполнять свою функцию — хранение жизненно необходимой наследственной информации? Это происходит из-за ошибки при декодировании. Например, если аденин случайно заменен на тимин.
Существуют также хромосомные и геномные мутации. Хромосомные мутации случаются, если участки наследственной информации выпадают, удваиваются либо вообще переносятся и встраиваются в другую хромосому.
Геномные мутации наиболее серьезны. Их причина – это изменение числа хромосом. То есть когда вместо пары — диплоидного набора присутствует в кариотипе триплоидный набор.
Наиболее известный пример триплоидной мутации — это синдром Дауна, при котором личный набор хромосом 47. У таких детей образуется 3 хромосомы на месте 21-й пары.
Известна также такая мутация, как полиплодия. Но полиплодия встречается только у растений.
Источник
Каждый из нас участвует в своеобразной «генетической лотерее», где получает от наших родителей определенный набор признаков. Но есть ли правила у этой биологической машины по определению нашего цвета глаз, роста и пристрастия к яичнице по утрам? Безусловно, есть. И в данном уроке мы c ними познакомимся.
За передачу и хранение наследственной информации в организме отвечает ДНК. Связываясь с белками, ДНК укомплектовывается в хромосомы. Отдельные участки хромосом, лежащие в аналогичных местах на них – аллельные гены – определяют, какой признак проявится в организме.
Законы наследования таких признаков разработал Грегор Мендель. Первый закон Менделя – закон единообразия – гласит, что при скрещивании двух чистых линий организмов потомки будут единообразными генетически и внешне. Второй закон – закон расщепления – объясняет, в каком соотношении распределятся генотипы и фенотипы при скрещивании потомков первого поколения организмов между собой. И третий закон Менделя – закон независимого наследования признаков – показывает, как могут комбинироваться 2 и более признаков при скрещивании организмов с различным их провялением.
Курирую урок, все предложения пишите в комментариях под уроком или личным сообщением
Хотите делать уроки с нами?
Вводное тестирование
Проверь готовность к уроку
Внешнее отличие организма от других особей своего вида
Общая для всех особей вида характеристика
Любая особенность строения (как внешнего, так и внутреннего), характерная для организма
Что такое наследственность?
Идентичность дочернего организма материнскому
Свойство организмов передавать свои признаки из поколения в поколение
Совокупность признаков организма
Свойство дочерних организмов приобретать новые признаки по сравнению с родительскими
Нестабильность дочерних организмов по отношению к окружающей среде
Совокупность всех признаков организма
Ты еще не готов к этому уроку
У человека в гене зашифрован один признак
ДНК отвечает за комплексный набор признаков
Важнейшая молекула в процессе передачи информации о том, каким будет живой организм – это ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).
Последовательность составных частей этой молекулы (нуклеотидов) определяет структуру белка или РНК, которые тем или иным образом влияют на развитие организма. Таким образом, ДНК – это “биологический код”, выполняемый каждой клеткой живого организма.
Состоит эта молекула из 4 типов нуклеотидов (аденин, тимин, цитозин и гуанин), связанных с фосфатной группой и сахаром дезоксирибозой в составе нуклеотидов. Молекулы удерживаются вместе с помощью водородных связей: между тимином и аденином таких связей 2, а между гуанином и цитозином – 3.
—дезоксирибонуклеиновая кислота, биополимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов
Ген отвечает за конкретный признак
Каждый из участков ДНК, определяющий возможность развития отдельного элементарного признака и вносящий свой вклад в генотип, называется геном. Он отвечает за один из множества признаков живого организма, например, цвет волос или глаз (чаще всего гены кодируют различные белки).
С развитием наших знаний о генетике мы выяснили, что гены не разбросаны в ДНК беспорядочно, они находятся в хромосомах– структурах, в которых ДНК плотно «упакована» с помощью специальных белков.
В хромосомах гены имеют «местоположение» или локус.
В ядре клетки каждая из хромосом имеется в двух экземплярах. В этой паре хромосом есть гены, расположенные в одинаковых локусах. Подобные гены называются аллельными генами (или просто аллелями)
— участок ДНК, кодирующий тот или иной признак организма хромосомы – структуры, в которых ДНК, “упакованная”вместе с белками, хранится в ядре
— совокупность генов, содержащихся в половой клетке организма
— “место” гена в хромосоме
— гены, лежащие в одинаковых локусах и кодирующие разные вариации одного и того же признака
Признаки в паре хромосом могут не совпадать
В таком случае организмы можно поделить на 2 категории. У первых аллельные гены будут полностью совпадать по своей нуклеотидной последовательности, и такие организмы являются гомозиготами. А те, у кого аллельные гены различаются (и соответственно, различаются закодированные в них признаки), являются гетерозиготами.
— организмы, несущие 2 одинаковые формы аллельного гена
— организмы, несущие различные формы аллельного ген
В половой клетке всегда находится одна копия аллельного гена
Перед тем, как мы приступим к изучению принципов наследственности, следует запомнить один важный пункт: после мейоза в половой клетке организма (гамете), всегда оказывается только одна копия аллельного гена, следовательно, гаметы чисты от другой копии аллельного гена и несут в себе один вариант признака. Это называется законом чистоты гамет.
— половые клетки организма
Как же взаимодействуют гены при передаче ?
Есть множество вариантов взаимодействия генов, но самый простой – доминирование одной формы аллельного гена над другим. В таком случае аллельные гены также делятся на 2 типа. Один из генов будет определять проявление признака только в гомозиготном состоянии, он называется рецессивным (подавляемым). А другой и в гетерозиготе, и в гомозиготе, состоящей только из данных форм аллельного гена, будет проявлять свой закодированный признак. Такой ген называется доминантным (подавляющим).
— признак, проявляющийся как в гомозиготном, так и в гетерозиготном организме
— признак, проявляющийся только в гомозиготном организме
Водородных связей между гуанином и цитозином
Участок ДНК, определяющий 1 признак, называется
“Местоположение” гена в хромосоме – это
Первое поколение при скрещивании несёт один из признаков родителя
Именно по этой причине данный закон называется также законом единообразия. Впервые это заметил и сформулировал Грегор Мендель, когда проводил эксперименты на горохе.