С. М. Розов Введение. Предмет Естествознания Естествознание

В процессе транскрипции можно выделить три этапа. Первый этап - инициация транскрипции – начало синтеза нити РНК, образуется первая связь между нуклеотидами. Затем идет наращивание нити, ее удлинение – элонгация, и, когда синтез завершен, происходит терминация, освобождение синтезированной РНК. РНК-полимераза при этом «слезает» с ДНК и готова к новому циклу транскрипции.

РНК-полимераза связана с ДНК перед расплетенным участком. Этот участок называется передним дуплексом ДНК, его размер – 10 пар оснований. Полимераза связана также с более длинной частью ДНК, называемой задним дуплексом ДНК. Размер матричных РНК, которые синтезируют РНК-полимеразы у бактерий, могут достигать 1000 нуклеотидов и больше. В эукариотических клетках размер синтезируемых ДНК может достигать 100000 и даже нескольких миллионов нуклеотидов. Правда, неизвестно, существуют ли они в таких размерах в клетках, или в процессе синтеза они могут успеть процессировать.

Элонгационный комплекс довольно стабилен, т.к. он должен выполнить большую работу. То есть, сам по себе он с ДНК не «свалится». Он способен перемещаться по ДНК со скоростью до 50 нуклеотидов в секунду. Этот процесс называется перемещение (или, транслокация).

В результате траскрипции образуется нить одноцепочечной РНК, которая отходит от ДНК-РНК-полимеразного комплекса и по пути к рибосомам цитоплазмы (где происходит трансляция — синтез белка) подвергается дальнейшему процессингу (разрезание на части, обрезание концов и вырезание некодирующих частей).
Трансляция. Перейдем к трансляции – синтезу белков. Трансляция происходит на рибосомах и катализируется ими. Рибосома состоит из двух субчастиц: большой и малой.

 Каждая субчастица состоит из нескольких десятков белков. Белки в рибосоме держатся на каркасе, состоящем из рибосомной РНК. Формирование рибосомы начинается с того, что рибосомная РНК сворачивается и на нее в определенном порядке начинают налипать белки. На рисунке представлена рибосомная РНК. В ней самокомплементарные участки нити РНК спариваются, образуя шпильки (вторичная структура), и затем РНК сворачивается (третичная структура РНК), образуя каркас субчастиц.

Еще один вид РНК, участвующей в синтезе белка, это транспортная РНК (т-РНК). Молекулы т-РНК относительно небольшие (по сравнению с рибосомной или матричной РНК). Для каждой из 20 аминокислот существует своя транспортная РНК. Все т-РНК имеют общую вторичную структуру. За счет спаривания комплементарных участков молекулы т-РНК образуется три "стебля" с петлями на концах и один "стебель", образованный 5'- и 3'-концами молекулы т-РНК (иногда образуется еще дополнительная пятая петля). Изображение этой структуры похоже на крест или клеверный лист. "Голова" на этом листе представлена антикодонной петлей, здесь находится антикодон – те три нуклеотида, которые комплементарно взаимодействуют с кодоном в м-РНК. Противоположный антикодонной петле стебель, образованный концами молекулы, называется акцепторным стеблем – сюда присоединяется соответствующая аминокислота. Распознают подходящие друг другу т-РНК и аминокислоты специальные ферменты, называемые аминоацил-т-РНК синтетазами. Для каждой аминокислоты есть своя аминоацил-т-РНК-синтетаза.


На рибосоме находится матричная РНК (м-РНК). С кодоном (тремя нуклеотидами) м-РНК комплементарно связан антикодон транспортной РНК, на которой висит остаток аминокислоты. На рисунке видна такая структура (т-РНК вместе с аминокислотой, которая называется аминоцил-т РНК).

Процесс трансляции, также как и процесс транскрипции, связан с перемещением вдоль молекулы нуклеиновой кислоты, разница в том, что рибосома шагает на три нуклеотида, в то время как РНК-полимераза - на один.

Аминоцил-т-РНК входит в рибосому, комплементарно связываясь с кодоном м-РНК, затем происходит реакция при которой аминокислотные остатки связываются друг с другом, а т-РНК удаляется.

"Словарь" для перевода с языка нуклеотидов на язык аминокислот называется генетическим кодом. Аминокислот - 20, нуклеотидов – 4, число комбинаций из 4 по 2 = 16, а аминокислот 20, поэтому кодировка не двух, а трехбуквенная, каждая тройка называется кодоном. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами в м-РНК (которая, в свою очередь, кодируется ДНК).

В таблице на рисунке боковые столбцы кодируют левую и правую букву кодона, верхняя строка – среднюю. Например, кодон AUG кодирует аминокислоту метионин. Число комбинаций из 4 по 3 = 64, то есть некоторые аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Три кодона не кодируют никакую аминокислоту, они называются терминирующими. Когда они попадаются в м-РНК, рибосома прекращает свою работу и готовая полипептидная цепь выбрасывается наружу.

В результате мейоза возникает четыре гаплоидных клетки — гаметы, каждая из которых уже несет перетасованный между гомологами, обновленный набор хромосом. Это так называемая рекомбинационная изменчивость — во-первых, происходит случайное расхождение материнских и отцовских гомологов, во-вторых, за счет кроссинговера хромосомы обмениваются гомологичными участками. В результате этих двух процессов в гаметах возникают новые комбинации аллелей генов. Третий этап рекомбинационной изменчивости происходит во время оплодотворения. Случайная отцовская гамета сливается со случайной материнской, в результате возникает зигота, прошедшая три стадии рекомбинационной изменчивости.

Фактически вплоть до начала 20 века гипотезы о механизмах наследственности имели чисто умозрительный характер. Первые идеи о механизмах наследственности высказывали древние греки уже к V веку до н.э., в первую очередь Гиппократ. По его мнению половые задатки, участвующие в оплодотворении, формируются при участии всех частей организма, в результате чего признаки родителей непосредственно передаются потомкам, причем здоровые органы поставляют здоровый репродуктивный материал, а нездоровые - нездоровый. Это теория прямого наследования признаков. Начиная со средневековья господствовала стихийная теория кровей – при оплодотворении крови перемешиваются и разбавляются.

На рубеже 18-19 веков, автор первой теории эволюции Ж.-Б. Ламарк использовал представления Гиппократа для построения своей теории передачи потомству новых признаков, приобретенных в течение жизни.

Теория пангенезиса, выдвинутая Ч. Дарвином в 1868 году, также базируется на идее Гиппократа. По мнению позднего Дарвина, не сумевшего пережить так называемый «Кошмар Дженкина», о котором будет сказано позднее, от всех клеток организма отделяются мельчайшие частицы - геммулы, которые, циркулируя с током крови по сосудистой системе организма, достигают половых клеток. Затем, после слияния этих клеток, в ходе развития организма следующего поколения геммулы превращаются в клетки того типа, из которого произошли, со всеми особенностями, приобретенными в течение жизни родителей.

В 80-е годы 19-го века против теории пангенезиса выступил Август Вейсман. Он предложил свою гипотезу, согласно которой в организме существуют два типа клеток: соматические и особая наследственная субстанция, названная им зародышевой плазмой, которая в полном объеме присутствует только в половых клетках.

Подходы к современной генетике наметились в 18-ом и, особенно, в 19-ом веке. Многие растениеводы-практики в это время обратили внимание на то, что в потомстве гибридов преобладают признаки одного из родителей. Аналогичные наблюдения о наследовании различных признаков были сделаны и у человека.

Но только Грегор Мендель сумел глубоко продумать и провести спланированные эксперименты. Уже в первоначальной стадии работы он понял, что в эксперименте нужно выполнить два условия: растения должны обладать константно различающимися признаками и гибриды должны быть защищены от влияния чужой пыльцы. Таким условиям удовлетворял горох.

Результаты экспериментов Менделя были опубликованы в 1865г. в Отчетах о заседании Общества естествоиспытателей г. Брно (Чехия). Естественно, никто из биологов-современников эти отчеты не читал, и открытие Менделя на долгие полвека оказалось неизвестным биологам.

В это время научный мир уже был готов к тому, чтобы воспринять генетику. Началось ее триумфальное шествие. Проверяли справедливость законов о наследовании по Менделю (менделировании) на все новых и новых растениях и животных и получали неизменные подтверждения. Все исключения из правил быстро развивались в новые явления общей теории наследственности.

В настоящее время три основополагающих закона генетики, три закона Менделя, формулируются следующим образом.

Первый закон Менделя. Единообразие гибридов первого поколения. Все признаки организма могут быть в своем доминантном или рецессивном проявлении, которое зависит от присутствующих аллелей данного гена. У каждого организма есть два аллеля каждого гена (2n хромосом). Для проявления доминантного аллеля достаточно одной его копии, для проявления рецессивного – нужны сразу две. Так, генотипы АА и Аа у гороха дают красные цветы, и только генотип аа дает белые. Поэтому, когда мы скрещиваем красный горох с белым:

АА х аа  Аа

мы в результате скрещивания получаем все потомство первого поколения с красными цветами. Однако, не все так просто. Некоторые гены у некоторых организмов могут быть не доминантными и рецессивными, а кодоминантными. В результате такого скрещивания, например, у петунии и космеи, мы получим все первое поколение с розовыми цветами — промежуточным проявлением красного и белого аллелей.

Скрещивание Менделя можно показать на следующей схеме:

То есть одно растение F₂ несет гомозиготный доминантный генотип, два — гетерозиготный (но в фенотипе проявляется доминантный аллель!) и одно растение гомозиготно по рецессивному аллелю. Отсюда и получается фенотипическое расщепление признака в отношении 3:1, хотя генотипическое расщепление на самом деле — 1:2:1. В случае кодоминантного признака такое расщепление и наблюдается, например, по цвету цветов у петунии: одно растение с красными цветами, два с розовыми и одно с белыми.

Для дигибридного скрещивания Мендель взял гомо­зиготные растения гороха, отличающиеся по двум ге­нам — окраски семян (желтые, зеленые) и формы семян (гладкие, морщинистые). Доминантные признаки — желтая окраска (I) и гладкая форма (R) семян. Каж­дое растение образует один сорт гамет по изучаемым аллелям. При слиянии гамет все потомство будет единообразным: Ii Rr.

При образовании гамет у гибрида из каждой пары аллель­ных генов в гамету попадает только один, при этом вследствие случайности расхожде­ния отцовских и материнских хромосом в I делении мейоза ген I может попасть в одну гамету с геном R или с геном r. Точно так же ген i может оказаться в одной гамете с геном R или с геном r. Поэтому у гибрида образуются четыре типа гамет: IR, Ir, iR, ir. Во время оплодотворения каждая из четырех типов гамет одного организма слу­чайно встречается с любой из гамет другого организма. Все возмож­ные сочетания мужских и женских гамет можно легко установить с помощью решетки Пеннета, в которой по горизонтали выписываются гаметы одного родителя, по вертикали — гаметы другого родителя. В квадратики вносятся генотипы зигот, образующиеся при слиянии гамет.

Легко подсчитать, что по фенотипу потомство делит­ся на 4 группы: 9 желтых гладких, 3 желтых морщини­стых, 3 зеленых гладких, 1 желтая морщинистая, то есть наблюдается расщепление в отношении 9:3:3:1. Если учитывать результаты расщепления по каждой паре признаков в отдельности, то получится, что отношение числа желтых семян к числу зеленых и отношение гладких семян к морщинистым для каждой пары равно 3:1. Таким образом, при дигибридном скрещивании каждая пара признаков при расщеплении в потомстве ведет себя так же, как при моногибридном скрещива­нии, т. е. независимо от другой пары признаков.

При оплодотворении гаметы соединяются по прави­лам случайных сочетаний, но с равной вероятностью для каждой. В образующихся зиготах возникают раз­личные комбинации генов.

Независимое распределение генов в потомстве и возникновение различных комбинаций этих генов при дигибридном скрещивании возможно лишь в том слу­чае, если пары аллельных генов расположены в разных парах гомологичных хромосом.

Таким образом, третий закон Менде­ля формулируется так: при скрещивании двух гомозиготных особей, отлича­ющихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга.
Отклонения от расщепления 3:1.

Рецессивные летали. У Менделя получились одинаковые численные соотношения при расщеплении аллелей многих пар признаков. Это в частности подразумевало одинаковую выживаемость индивидов всех генотипов, но это может быть и не так. Бывает, что гомозигота по какому-нибудь признаку не выживает. Например, желтая окраска у мышей может быть обусловлена гетерозиготностью по Aguti yellow. При скрещивании таких гетерозигот друг с другом следовало бы ожидать расщепление по этому признаку соотношении 3:1. Однако, наблюдается расщепление 2:1, то есть 2 желтых к 1 белой (рецессивная гомозигота).

A^ya x A^ya  1aa + 2A^ya + 1A^yA^y — последний генотип не выживает.

Показано, что доминантная (по окраске) гомозигота не выживает уже на эмбриональной стадии. Этот аллель одновременно является рецессивной леталью (то есть рецессивной мутацией, приводящей к гибели организма).

Полулетали. Нарушение менделевского расщепления часто происходит потому, что некоторые гены являются полулеталями — жизнеспособность гамет или зигот с такими аллелями снижена на 10–50%, что приводит к нарушению расщепления 3:1.

Влияние внешней среды. Проявление некоторых генов может сильно зависеть от условий среды. Например, некоторые аллели проявляются фенотипически только при определенной температуре на определенной фазе развития организма. Это тоже может приводить к нарушениям менделевского расщепления.

Гены-модификаторы и полигены. Кроме основного гена, контролирующего данный признак, в генотипе может быть еще несколько генов-модификаторов, модифицирующих проявление основного гена. Некоторые признаки могут определяться не одним геном, а целым комплексом генов, каждый из которых вносит свой вклад в проявление признака. Такой признак принято называть полигенным. Все это тоже вносит нарушения в расщепление 3:1.
Сцепление генов и кроссинговер. Построение генетичес­ких карт.

В 1906г. Бетсон и Пеннет обнаружили явление сцепленного наследования некоторых генов. Некоторые гены наследовались не совсем независимо друг от друга, как следует из третьего закона Менделя, а в большом проценте случаев как бы сцепленно друг с другом, выступая как единое целое. При этом менделевское независимое соотношение 9:3:3:1 для дигибридного скрещивания очень сильно нарушалось. Впоследствии это явление интенсивно изучал Т. Морган, заложивший этим исследованием основы хромосомной теории наследственности. Было установлено, что материальным носителем генов являются хромосомы, и независимо, по-менделевски, наследуются только гены, лежащие в разных хромосомах. Если же гены лежат в одной хромосоме недалеко друг от друга, то они наследуются сцепленно, как единый блок.

Тем не менее, в каком-то проценте случаев этот единый блок разрывается и сцепленные гены рекомбинируют. Это связано с явлением кроссинговера — обменом гомологичными участками между хромосомами-гомологами в мейозе. Чем дальше друг от друга в хромосоме расположены гены, тем больше вероятность того, что между ними произойдет перекрест кроссинговера, тем у большего процента потомков после данного скрещивания будет наблюдаться рекомбинантный генотип. Очень близко расположенные гены дают доли процента кроссинговера, далеко расположенные — десятки процентов. Когда процент рекомбинантов достигает 50, гены наследуются уже совершенно независимо друг от друга, по 3-му закону Менделя.

Таким образом, частота кроссинговера является функцией расстояния между генами в хромосоме. Проводя скрещивания и подсчитывая частоты рекомбинации между генами, можно строить генетические карты, отражающие порядок расположения и расстояние между генами в хромосомах. Такие генетические карты построены для десятков различных живых организмов.
Генетическое определение пола.

У подавляющего большинства животных пол определяется так называемыми половыми хромосомами — X и Y. Все остальные хромосомы, кроме половых, называются аутосомами. У человека и многих других животных мужской организм несет половые хромосомы XY, а женский — две X-хромосомы — XX. Таким образом, у человека мужской пол гетерогаметен, а женский гомогаметен. У некоторых животных, например, у некоторых бабочек и птиц, наоборот, гомогаметными являются самцы.

Инактивация одной из Х-хромосом происходит случайным образом: в одних клетках спирализуется отцовская Х-хромосома, в других — материнская. Таким образом, женский организм оказывается химерным: в одних клетках работают гены Х-хромосомы, пришедшие от отца, в других — от матери.

У кошек один из генов, отвечающих за окраску шерсти, находится в Х-хромосоме и имеет серию множественных аллелей, которые дают различную окраску: белую, черную, желтую. Каждый организм может нести только два аллеля одного гена. Но иногда встречаются кошки так называемой черепаховой, трехцветной окраски — пятнистые черно-бело-желтые. Примечательно, что такую трехцветную окраску имеют только кошки, а не коты. Такая окраска возникает из-за того, что в разных клетках организма инактивированы разные Х-хромосомы, и поэтому в одних участках тела работает разные аллели гена окраски, лежащего в Х-хромосоме. Крайне редко — в одном случае из нескольких тысяч — черепаховую окраску имеют коты. Но кариологический анализ показывает, что такие коты являются хромосомными аберрантами — они несут три половые хромосомы: XXY.