•   Сделать стартовой   •   Добавить в избранное   •   Сегодня
Лекции  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  

Скачать  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  
  Добро пожаловать на наш информационный ресурс!  

Тема 11.

Генетическая информация.

Генетическая информация - программа свойств
организма, получаемая от предков и заложенная
в наследственных структурах в виде генетического кода.
Генетическая информация определяет морфологическое строение,
рост, развитие, обмен веществ, психический склад,
предрасположенность к заболеваниям и генетические пороки организма.

Современная биология утверждает, что одна из главных черт жизни - это самовоспроизводимость. Самовоспроизводимость - это способность живого организма к размножению, рождению и выращиванию себе подобных.
Как известно, генетическая (наследственная) информация записана в цепи молекулы ДНК в виде последовательности более простых молекул - нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех оснований: аденин (А), гуанин (G) - пуриновые основания, цитозин (С) и тимин (Т) - пиримидиновые основания.

Таким образом, нам необходимо вспомнить, что мы знаем о молекуле ДНК.

Структура молекулы ДНК была изучена в 1953 г. Дж.Уотсоном и Ф.Криком. Они установили, что молекула ДНК состоит из двух цепей, образующих двойную спираль, которая закручена вправо (по часовой стрелке). К полимерному остову спиральной цепи ДНК (состоит из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы) "прикреплены" нуклеотидные остатки. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию. Водородные связи между другими парами оснований не позволяют им разместиться в структуре двойной спирали. Цепи ДНК - комплементарны, т.е. имеется взаимное соответствие между их нуклеотидами, которые образуют уотсон-криковские пары Г-Ц и А-Т. Сами же цепи в двойной спирали антипараллельны.



Рис.1. Схематический вид молекулы ДНК

На рис.2 показана часть расшифрованной структуры молекулы ДНК.


Итак, напомним, что в основе самовоспроизводства лежит способность молекулы ДНК к удвоению, которое называется репликацией ДНК. Репликация ДНК основана на принципе комплементарности, что хорошо иллюстрируется схемой, приведенной на рис.3.



Рис.3. Удвоение молекулы ДНК.


В живой клетке удвоение происходит потому, что две спиральные цепи расходятся, а потом каждая цепь служит матрицей, на которой с помощью особых ферментов собирается подобная ей новая спиральная цепь ДНК. В результате вместо одной ДНК образуются две, неотличимые по строению от родительской молекулы ДНК (рис.4).

Рис.4. Репликация ДНК.

В результате создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из которых имеет одну нить, полученную из материнской молекулы, и одну нить, синтезированную по комплементарному принципу.
Теперь обсудим, как происходит передача информации в клетке. Напомним, что участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Реализация генетической информации происходит в процессе синтеза белковых молекул с помощью трех РНК: информационной (иРНК), транспортной (тРНК) и рибосомальной (рРНК). Процесс передачи информации идет двумя путями: - по каналу прямой связи (ДНК - РНК - белок); и по каналу обратной связи (среда - белок - ДНК).
Синтез белка происходит в рибосомах клетки. К ним из ядра поступает информационная (или матричная) РНК ( иРНК), которая может проникать через порог ядерной мембраны. Что же такое иРНК ?
иРНК это:
а) одноцепочечная молекула, комплементарная одной нити ДНК;
б) копия ДНК ;
в) копия не всей молекулы ДНК, а лишь ее части (по длине). Эта часть соответствует одному или группе рядом лежащих генов;
г) молекула, образованная под действием специального фермента - РНК-полимеразы, которая, продвигаясь по нити ДНК, ведет синтез иРНК; данный процесс называется транскрипцией.

Как определяется длина части ДНК, с которой снимается копия в виде иРНК?

В начале этой части и в ее конце находятся специфические последовательности нуклеотидов, которые может "узнавать" РНК-полимераза и таким образом "определять" участок считывания.
Весь процесс репликации, осуществляемый разными белками-ферментами, очень согласован, поэтому часто употребляют термин - работа "репликационной машины". Репликация идет с очень высокой точностью. ДНК млекопитающего состоит из 3 млрд. пар нуклеотидов, а в процессе воспроизведения допускается не более 3 ошибок.
При этом надо помнить, что синтез идет с большой скоростью - от 50 до 500 нуклеотидов/сек, поэтому в клетке существуют специальные корректирующие механизмы: ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие нуклеотидов исходной матрице.
Итак, в процессе синтеза белка иРНК, пройдя через ядерную мембрану, поступает в цитоплазму к рибосомам, где осуществляется:

а) расшифровка генетической информации,

б) синтез из аминокислот биополимерной макромолекулы белка.

Аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью транспортных РНК (тРНК). В клетке имеется столько аминокислот, сколько типов кодонов, шифрующих аминокислоты.

Генетический код

Генетическая информация заключена в последовательности нуклеотидов. Это значит, что строго определенная последовательность нуклеотидов соответствует определенной аминокислоте, а определенный порядок расположения и количество аминокислот соответствует, в свою очередь, определенной структуре белка.
Таким образом, иРНК несет генетическую информацию в виде генетического кода, который с помощью четырех символов (четыре нуклеотида А, Г, Ц, У) задает любую из 20 аминокислот.
Свойства генетического кода:
а) Код триплетен
Каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью 3-х нуклеотидов. Эта последовательность называется кодоном.
б) Код вырожден.
Каждая аминокислота кодируется более, чем одним кодоном (от 2 до 6 кодонов на одну аминокислоту).
в) Код однозначен.
Каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.
г)
Генетический код универсален, т.е. един для всех живых организмов планеты.

Таким образом, ген представляет собой чередование "слов из трех букв" - кодонов, образованных из четырехбуквенного алфавита.

Необходимо особо подчеркнуть универсальность генетического кода - с его помощью закодирована вся информация и о простейшем одноклеточном организме, и о человеке. Но в первом случае можно было обойтись и более простым кодом, а во-втором - лучше было бы использовать более совершенный (сложный) код. Поэтому единство генетического кода служит очень весомым аргументом в пользу единого эволюционного пути всего живого на Земле.
Программа "Геном человека".
Международная программа "Геном человека" посвящена решению проблемы картирования генов человека. Число генов в составе ДНК человека - около 50-60 тысяч, что составляет только 3% общей длины ДНК; роль остальных 97% пока неясна. В каждой клетке человека содержится 46 молекул ДНК, которые распределены в 23 парах хромосом. Хромосомы - это структуры, по которым распределена полная молекула ДНК. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке человека равна около 2 метров. Полная же длина всех молекул ДНК в теле взрослого человека, состоящего из 5х1013 клеток, составляет 1011 км, что в тысячу раз превышает расстояние от Солнца до Земли.
К настоящему времени практически полностью расшифрована полная последовательность ДНК человека.
Главная задача исследований - изучить вариации ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить генетические различия между ними. Анализ таких различий позволит построить индивидуальные генные портреты людей, что даст возможность лучше лечить болезни. Кроме того, такой анализ позволит выявить различия между популяциями и выявить географические районы повышенного риска поражения генома людей. Таким образом, благодаря геномным исследованиям стало ясно, что в ходе эволюции жизни на Земле сначала выделились представители архей, имеющих клетки без ядер, а позже - эукариот (состоящих из клеток с ядрами), включая человека. Геномными исследованиями было выявлено также совпадение нуклеотидных последовательностей у неродственных видов. Это дает основания предположить, что в процессе эволюции происходил перенос генов от одного вида к другому. Например, оказалось, что геномы человека и мыши весьма близки - их нуклеотидные последовательности совпадают более чем на 90%.

Генетическая инженерия

"Генетическая или генная инженерия" - создание новых генетических структур и создание организмов с новыми наследственными свойствами. С помощью биохимических и генетических методик происходит изменение хромосомного материала - основного наследственного вещества клеток. Биоинженеры изолируют те или иные участки ДНК, соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной клетки в другую. В результате удается осуществить такие изменения генома, которые естественным путем вряд ли могли бы возникнуть.
Генная инженерия принципиально отличается от классической селекции по следующим пунктам:
1) Можно (нельзя) скрещивать неродственные виды;
2) Можно (нельзя) извне управлять процессом рекомбинации в организме (постоянство своего генетического состава организм очень надежно охраняет);
3) Можно (нельзя) предугадать, какое получится потомство.

Ученым было необходимо разработать методику введения гена в клетку. Причём нужно было научиться не просто вводить ген в цитоплазму, а встраивать его в собственную молекулу ДНК клетки, так, чтобы новая информация могла быть "прочитана" биосинтетическим аппаратом клетки, вырабатывающим белки, а также воспроизводящим гены при делении клетки. Новый ген (или его фрагмент) должен очень точно располагаться в ДНК с соблюдением ряда условий, для того чтобы клетка действительно начала синтезировать новые ферменты. Надо было также обойти сопротивляемость клетки-хозяина: как правило, все изменения генетического аппарата воспринимаются клеткой как "ошибки информации" и исправляются специальными механизмами.
(Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает синтезировать "свой" белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку.)
Важное открытие - обнаружение в бактериальных клетках, помимо главной ее хромосомы, внехромосомных кольцевых молекул ДНК - плазмид. Плазмиды можно извлечь из одной клетки и перенести в другую. Плазмиды можно разрезать, фрагменты сращивать друг с другом, а затем такие комбинированные плазмиды вводить в клетки. Поскольку плазмидная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую молекулу, кольцо нужно сперва разорвать таким образом, чтобы свободные концы были в химическом отношении реакционноспособными, пригодными для последующего соединения. Достичь этого удается либо простым механическим путем (например, сильным встряхиванием), либо с помощью различных ферментов, называемых нуклеазами (рестриктазами). Затем фрагменты ДНК соединяют с помощью лигаз - ферментов, исправляющих повреждения в ДНК и сшивающих (склеивающих) концы ее разорванных нитей.
Рестриктазы-ферменты - способны расщеплять ДНК в строго определенном месте с образованием "липких" концов у образуемых фрагментов. Иными словами, с помощью рестриктаз ген можно разрезать на кусочки - нуклеотиды, а затем с помощью лигаз такие кусочки можно "склеивать", соединять в иной комбинации, конструируя новый ген.

Как осуществляется введение генных конструкций в бактериальную клетку?

Сначала плазмиды режут рестриктазами и получают односпиральные концы, комплементарные концам генов, проводят гибридизацию гена и плазмиды в пробирке, а затем рекомбинантную плазмиду вводят в клетку (рис.5).


Рис.5. Введение чужеродного гена.


Плазмиды содержат маркерный ген, например ген, сообщающий клетке устойчивость к определенному антибиотику.
В рекомбинантных клетках плазмида участвует в процессах репликации, транскрипции и трансляции нового введенного в клетку гена.
Синтезируется продукт этого гена, который в природных клетках никогда ранее не мог образоваться.

Подчеркнем, что in vitro проводится только рекомбинация, а все остальные превращения с плазмидой происходят в клетке так же, как и со своими собственными генами.
Итак, основные процедуры в генной инженерии сводятся к следующему:
1) рекомбинация плазмиды и ДНК-гена;
2) введение рекомбинантной плазмиды в клетку;
3) молекулярное клонирование (технология клонирования наименьших биологических объектов - молекул ДНК, их частей и даже отдельных генов).


Достижения генной инженерии.
Технологии генной инженерии разрабатываются не очень много времени, они имеют крупные достижения и в медицине, и в сельском хозяйстве. Методом генной инженерии получен уже ряд препаратов, в том числе инсулин человека и противовирусный препарат интерферон. Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения.
В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть получены трансгенные растения, например сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам.
Несколько слов о перспективах генной инженерии.
На основе детального анализа возможностей и реальных достижений генной инженерии составлены научные прогнозы на начало ХХI века. Высказаны, например, надежды, что в ближайшие годы будут разработаны препараты для лечения такого опасного заболевания, как СПИД, к 2009 году будут определены гены, которые связаны со злокачественными новообразованиями, а к 2010 году будут установлены механизмы возникновения почти всех видов рака. К 2013 году завершится разработка препаратов, предотвращающих рак.
Не менее важна сегодня генная диагностика. Обычно молекулярная диагностика проводится по белкам, и, как правило, с помощью других белков-антител. Недостатки такой диагностики - обнаружение болезни на поздней стадии. Но теперь можно диагностировать и по генам (ДНК), и по синтезированным на них РНК еще до того, как в организме начали синтезироваться и накапливаться чужеродные белки.
Не имея возможности детально останавливаться на генной терапии, кратко перечислим некоторые проблемы, которыми занимаются ученые:
доставка генов к клеткам-мишеням организма и нуклеиновых кислот внутрь клеток,
блокировка или разрушение вредного гена либо блокировка продуцируемой им РНК с помощью антисмысловых ДНК или РНК,
введение нового активного гена или регулятора активности гена. Лечение наследственных болезней целиком зависит от успехов в этом направлении,
введение генов или комплексов генов, блокирующих клеточное деление или вызывающих клеточную смерть, как средство кардинальной раковой терапии.

Отметим также важность биотехнологии для техники: например, создание биосенсоров на основе биологических макромолекул или конструирование биологически возобновляемых источников энергии.
Клонирование животных.
Напомним, что клонирование в биологии - метод получения нескольких идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Эти копии должны обладать идентичной наследственной информацией, т.е. нести идентичный набор генов.
Однако сейчас термин "клонирование" обычно используется в более узком смысле и означает копирование клеток, генов, антител и даже многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Появившиеся в результате бесполого размножения экземпляры по определению генетически одинаковы, однако и у них можно наблюдать наследственную изменчивость, обусловленную случайными мутациями или создаваемую искусственно лабораторными методами.
Наибольшее интерес представляет клонирование многоклеточных организмов, которое стало возможным благодаря успехам генной инженерии. Создавая особые условия и вмешиваясь в структуру ядра клетки специалисты заставляют развиваться её в нужную ткань или даже в целый заранее намеченный организм. Причём открыты не только методы воспроизведения того организма, из которого клетка была взята, но и другого организма - того, от которого был взят только генетический материал. Появилась принципиальная возможность воспроизведения даже умершего организма. И даже тогда, когда от него остались минимальные части - лишь бы из них можно было выделить генетический материал.

Клонирование животных возможно с помощью экспериментальных манипуляций с яйцеклетками (ооцитами) и ядрами соматических клеток животных in vitro и in vivo подобно тому, как в природе появляются однояйцевые близнецы.
В окончательном виде проблема клонирования животных была решена группой Вильмута в 1997, когда родилась овца по кличке Долли - первое млекопитающее, полученное из ядра взрослой соматической клетки: собственное ядро ооцита было заменено на ядро клетки из культуры эпителиальных клеток молочной железы взрослой лактирующей овцы (рис.6).

Рис.6. Получение овечки Долли



Однако отметим, что успех сопутствовал лишь в одном из 236 опытов (!).
В дальнейшем были проведены успешные эксперименты по клонированию различных млекопитающих с использованием ядер, взятых из взрослых соматических клеток животных (мышь, коза, свинья, корова).

Дальнейшие эксперименты доказали, что в некоторых случаях ядра соматических (не зародышевых) клеток способны обеспечить нормальное развитие млекопитающих (что было показано на мышах).
Однако получение клона еще не означает получения точной копии клонированного животного. Например, в случае использования приемных матерей при клонировании млекопитающих невозможно обеспечить одинаковые условия, а значит трудно говорить об абсолютной точности клонирования исходной особи. На сегодняшний день ясно, что структурно-функциональные изменения ядер в ходе индивидуального развития животных достаточно глубоки: одни гены активно работают, другие "молчат". И чем организм более специализирован, чем выше ступенька эволюционной лестницы, на которой он стоит, тем эти изменения глубже и труднее обратимы.
Недавно было показано, что в соматических клетках в ходе их развития хромосомы последовательно укорачиваются на своих концах, а в зародышевых клетках специальный белок - теломераза достраивает, восстанавливает их.
Поэтому естественен вопрос, способны ли ядра соматических клеток полностью и эквивалентно заменить ядра зародышевых клеток в их функции обеспечения нормального развития зародыша.

Различают полное и частичное клонирование организмов. При полном воссоздаётся весь организм целиком, при частичном - организм воссоздаётся - соответственно - не полностью. Например, лишь те или иные его ткани. Одно из перспективных применений клонирования тканей - клеточная терапия в медицине. Такие клетки могли бы компенсировать недостаток и дефекты собственных тканей организма и не отторгаться при трансплантации. Это так называемое репродуктивное и терапевтическое клонирование.
Наверное, можно говорить, что в принципе техническая задача получения клонированных животных решена, однако насколько точно эти животные копируют прототип - этот вопрос остается открытым.
И оправдают ли результаты работ по получению подобных клонов те затраты, которые они потребуют?

Спасибо за Ваше упорство. И удивитесь тому, что можно нарисовать:

  Наверх

Дополнительные материалы  

Тема 11

Великобритания - гены рассказали, как появился СПИД.

"Генетическая инженерия" - И.Б.Лещинская.

"Генетическая инженерия растений" - Ю.Н.Елдышев.

"Гены и поведение" - Л.И.Корочкин.

"Законы биоэнергетики" - В.П.Скулачев.

Информация, термодинамика и конструкция биологических систем.

"Клонирование животных" - Л.И.Корочкин.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ПРОЕКТ.

Нулевой цикл медицины.

"Разрезание генома" - Дебора Эриксон.

"Репарация генетических повреждений" - В.Н.Сойфер.

Сверхмалые дозы - большая загадка природы.

Современные представления о строении митотических хромосом.

США - геном человека расшифровали раньше срока.

США - создан двухбуквенный генетический алфавит.

США - устройство яйцеклетки делает клонирование человека невозможным.

"Умные гены" - Т.М. Бердсли.

"Founder Mutations".

 


kaplya@softhome.net