Е. Л. Григоренко психогенетика под редакцией И. В. Равич-Щербо Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации в качестве учебник

Вид материала

Содержание

Днк как основа наследственности
1. Нуклеиновые кислоты
А спаривается с Т двойной водо- родной связью, a G
Малые ДНК.
СООН (отсюда и название — аминокислоты). Друг от друга аминокислоты отличаются химической группой, называемой радикалом (R).
Таблица 4.1 Названия аминокислот и их краткое обозначение
2. Биохимический код наследственности
Типы и структура генов
Регуляция экспрессии генов

Подобный материал:

1 ... 5 6 7 8 9 10 11 12 ... 48

ДНК КАК ОСНОВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Для психогенетики, главным объектом исследования которой яв-

ляется природа индивидуальных различий, ознакомление со структу-

рой и механизмами функционирования ДНК важно для понимания

того, как гены влияют на человеческое поведение. Гены само поведе-

ние не кодируют. Они определяют последовательности аминокислот в

белках, которые направляют и создают основу химических процессов

клетки. Между геном и поведением лежат многочисленные биохими-

ческие события, открытие и понимание которых — интереснейшая

задача, решаемая разными науками. Вариативность гена, тот факт,

что он существует во множественных формах (аллелях), создает осно-

ву для формирования индивидуальных различий — соматических, фи-

зиологических, психологических. Именно в этом смысле говорят, что

ДНК и есть материальная основа наследственности: вариативность

генетическая создает, в контексте средовой вариативности, вариа-

тивность фенотипическую.

1. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты являются непериодическими полимерами.

Различают два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновую

(ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). ДНК содержится главным обра-

зом в составе хромосом клеточного ядра; РНК находится и в ядре, и

в цитоплазме.

ДНК

Во всех живых организмах (за исключением некоторых вирусов)

наследственная информация передается из поколения в поколение с

помощью молекул ДНК. Каждая клетка организма человека содержит

примерно 2 метра ДНК. Обычно ДНК состоит из двух комплементар-

ных цепей, формирующих двойную правостороннюю спираль (рис.

4. 1a, б). Напомним, что каждая цепь представляет собой линейный

полинуклеотид, состоящий из четырех азотистых оснований: аденина

(А), гуанина (G), тимина (Т) и цитозина (С)*. При формировании

двойной спирали ДНК А одной цепи всегда спаривается с Т другой, а

G — с С. Эти основания называются комплементарными. Принцип

селективности этой связи чрезвычайно прост и определяется принци-

* Азотистые основания в соединении с сахаром и фосфатом называются нук-

леотидами.

92

93

пом наличия свободного пространства. Дело в том, что спиральная

лестница ДНК зажата с двух сторон в ограничивающие ее «перила»,

состоящие из сахара (дезоксирибозы) и фосфатных групп. Пары А-Т

и G-С вписываются в «межперильное» пространство безукоризненно,

а вот любые другие пары вписаться просто не могут— не помещаются.

Так, по своим геометрическим размерам аденин и гуанин (длиной 12

ангстрем* каждый) значительно крупнее тимина и цитозина, длина

каждого из которых составляет 8 ангстрем. Расстояние же между «пе-

рилами» всюду одинаково и равно 20 ангстремам. Так что пары А-Т и

G-С неслучайны: их структура определяется как размером (одно ос-

нование должно быть маленьким, а другое — большим), так и хими-

ческим строением азотистых оснований. Очевидно, что две цепи ДНК

комплементарны друг другу.

Две цепи ДНК соединены друг с другом водородными связями,

объединяющими пары нуклеотидов. А спаривается с Т двойной водо-

родной связью, a G с С — тройной. Водородные связи относительно

непрочны; под воздействием определенных химических агентов они

легко как разрушаются, так и восстанавливаются. Американский гене-

тик Р. Левонтин, описывая природу связей в молекуле ДНК, предло-

жил удачный образ застежки-молнии, которая многократно расстеги-

вается и застегивается без каких-либо повреждений самой молекулы.

Особенности макромолекулярной структуры ДНК были открыты

американскими учеными Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Согласно

разработанной ими трехмерной модели структуры ДНК, шаг спирали

ДНК составляет примерно 34 ангстрема, а каждый ее виток содержит

10 нуклеотидов, расположенных на расстоянии 18 ангстремов друг от

друга.

ДНК обладает свойством ковариантной редупликации, т.е. ее мо-

лекулы способны копировать сами себя с сохранением возникших в

них изменений. Это удвоение происходит в ходе процессов, которые

называются митозом и мейозом (см. гл. I). В процессе удвоения (репли-

кации) ДНК, который осуществляется с участием ферментов, двой-

ная спираль ДНК временно раскручивается, и происходит построе-

ние новой цепи ДНК (комплементарной старой).

Структура ДНК динамична: двойная спираль находится в посто-

янном движении. Самые быстрые из известных нам процессов, разво-

рачивающихся в ДНК, связаны с деформацией связей в каждой из ее

цепей; эти процессы занимают пикосекунды (10 -12 с). Разрушение и

создание связей между комплементарными основаниями — процессы

более медленные; они занимают от тысячной доли секунды до часа.

Одной из поразительных особенностей ядерной (хромосомной)

ДНК является то, что она — не простой набор множества генов. В ДНК

* Ангстрем — десятимиллионная доля миллиметра.

94

высших организмов много последовательностей, которые ничего не

кодируют. В организме человека эти последовательности составляют

примерно 80-90% всей ядерной ДНК, так что кодирующие последо-

вательности — скорее исключение, чем правило. Некодирующие пос-

ледовательности ДНК служат удобным источником так называемых

полиморфных маркёров.

Малые ДНК. В клетках ядро является не единственным «местом» в орга-

низме, где можно найти ДНК. Митохондрии — органеллы, находящиеся не в

ядре клетки, как хромосомы, а в цитоплазме, тоже имеют собственную ДНК, но

в целом митохондриальной ДНК в клетке значительно меньше, чем ядерной.

В разных организмах количество митохондриальной ДНК не одинаково,

оно изменяется от организма к организму. Например, митохондриальная ДНК

человека содержит 16 569 пар нуклеотидов. Несмотря на то что в каждой

клетке имеется несколько тысяч митохондрий, а организм высших животных

построен из миллиардов клеток, митохондриальный геном каждой конкрет-

ной особи, по-видимому, одинаков во всех ее митохондриях. Это позволяет

использовать митохондриальную ДНК в популяционных и эволюционных ге-

нетических исследованиях.

РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) содержится как в одно-, так и в

двуцепочечных молекулах. РНК отличается от ДНК тем, что она со-

держит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил (U) вместо тимина.

В соответствии с функцией и структурными особенностями разли-

чают несколько видов молекул РНК, два из которых — матричная,

или информационная, РНК (мРНК, или иРНК) и транспортная РНК

(тРНК). Матричная РНК принимает участие в транскрипции гена,

транспортная — в его трансляции. Правильная «сборка» последова-

тельности аминокислот в белковую цепь происходит с помощью ри-

босом — специальных частиц в цитоплазме клеток; они содержат тре-

тью форму РНК — рибосомную РНК (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Этапы синтеза белка.

ТРАНСКРИПЦИЯ

При самокопировании ДНК каждая из ее цепочек играет роль

образца для создания дополнительной к ней цепочки. Подобным же

образом при образовании молекулы матричной РНК одна из цепочек

ДНК служит образцом для построения дополнительной к ней цепоч-

ки, но уже не из нуклеотидов ДНК, а из нуклеотидов РНК. Иными

95

Рис. 4.3. Транскрипция — копирование ДНК молекулой матричной РНК.

словами, последовательность нуклеотидов строящейся цепочки РНК

определяется последовательностью нуклеотидов молекулы ДНК.

Синтез молекулы мРНК по матрице ДНК называется процессом

транскрипции.

Молекула мРНК имеет одноцепочечную структуру. Механизм ее

образования подобен тому, который используется при репликации

(самокопировании) ДНК (рис. 4.3). После окончания транскрипции

мРНК покидает ядро и выходит в цитоплазму клетки, перемещаясь к

рибосомам — «фабрикам» по производству белков. На рибосомах и

осуществляется синтез белков.

ТРАНСЛЯЦИЯ

Молекула белка представляет собой цепочку аминокислот. Ами-

нокислотами называются органические (карбоновые) кислоты, со-

держащие, как правило, одну или две аминогруппы (-NH2) и кис-

лотную группу СООН (отсюда и название — аминокислоты). Друг от

друга аминокислоты отличаются химической группой, называемой

радикалом (R).

В табл. 4.1 перечислены двадцать аминокислот, являющихся ос-

новным «строительным материалом» при создании белков. (Главные

аминокислоты распадаются на три класса в зависимости от природы

группы R: нейтральные (полярные и неполярные), т.е. не несущие

заряда в растворе; основные, положительно заряженные в растворе; и

кислотные, отрицательно заряженные в растворе.)

Белки синтезируются с помощью ферментов путем соединения

аминокислот так называемой пептидной связью: СООН-группа одной

молекулы аминокислоты присоединяется к NH2-группе другой (при

этом выделяется молекула воды). Данный процесс чрезвычайно сло-

жен, но его скорость удивительна — аминокислоты строятся в цепоч-

96

Таблица 4.1

Названия аминокислот и их краткое обозначение

Нейтральные

Неполярные Полярные

Основные (+)

Кислотные (-)

Триптофан (Тrр)

Фенилаланин (Phe)

Глицин (Gly)

Аланин (Ala)

Валин (Val)

Изолейцин (Ilе)

Лейцин (Leu)

Метионин (Met)

Пролин (Pro)

Тирозин (Туr)

Серин (Ser)

Треонин (Thr)

Аспарагин

(Asn)

Глутамин

(Gln)

Цистеин (Cys)

Лизин (Lys)

Аргинин (Arg)

Гистидин

(His)

Глутаминовая

кислота (Glu)

Аспарагиновая

кислота (Asp)

ки полипептидов (белков) со скоростью примерно 100 аминокислот в

секунду. В среднем белки содержат 100-1000 аминокислот, и от того,

какова последовательность аминокислот в этих длинных цепях, зави-

сят структура и функция данного белка. Любая аминокислота одина-

ково хорошо соединяется с любой другой (в том числе и с такой же);

при этом взаимодействуют между собой одинаковые у всех аминокис-

лот группы атомов NH2 и СООН. Благодаря этой способности амино-

кислот могут образовываться длиннейшие цепи.

Как же осуществляется синтез белков? Оказывается, что для опи-

сания строения конкретного белка достаточно указать последователь-

ность аминокислот: какая из них занимает первое место, какая —

второе, третье и т.д. Например, строение белка инсулина таково:

аланин — лизин — пролин — ... — лейцин — аланин ...

Последовательность нуклеотидов в ДНК, а затем и в мРНК опре-

деляет, какой должна быть последовательность аминокислот, т.е. ка-

ким будет строение данного белка. Одна цепь ДНК содержит инфор-

мацию о химическом строении значительного числа различных бел-

ков. Таким образом, последовательность оснований мРНК кодирует

последовательность аминокислот. Сведения о строении белков — это

«зерно» информации, передаваемой потомкам из поколения в поко-

ление; кодирование аминокислот нуклеотидами и называется коди-

рованием наследственной информации.

Всего существует 64 возможных тройки нуклеотидов (43= 64), ко-

дирующих 20 аминокислот. Некоторые из нуклеотидных комбинаций

играют роль «дорожных знаков», регулирующих синтез белка (напри-

7-1432 97

Рис. 4.4. Трансляция мРНК (синтез белка).

1-4 — кодоны: метионина, лейцина, валина, тирозина; тРНК: 5 — отделилась от

аминокислоты (лейцина), присоединив ее к белковой цепи; б — молекула тРНК,

несущая валин, готова присоединить его к растущей белковой цепи; 7 — молекула

тРНК, несущая тирозин, подходит к мРНК, определяя кодом тирозина.

мер, кодируя стоп-сигнал — сигнал окончания транскрибированной

последовательности). При этом излишние комбинации нуклеотидов

могут либо вообще не использоваться при кодировании наследствен-

ной информации, либо служить дополнительными (синонимически-

ми) способами записи тех же самых аминокислот.

«Сборка» молекулы белка из аминокислот обеспечивается весьма

сложным механизмом, главным образом в рибосомах — особых орга-

неллах клетки, находящихся в цитоплазме. Рибосомы примерно напо-

ловину состоят из рибонуклеиновой кислоты (отсюда и их название).

Напомним, что в процессе транскрипции формируется мРНК,

которая комплементарна определенному участку ДНК. В ходе трансля-

ции нуклеотидная последовательность мРНК выступает как основа,

матрица для синтеза белка. «Считывание» последовательности мРНК

происходит группами по 3 нуклеотида. Каждая аминокислота соответ-

ствует определенному сочетанию трех оснований — так называемому

триплету (отсюда — триплетный код), или кодону.

«Сырье» (аминокислоты), необходимое для синтеза белка, нахо-

дится в цитоплазме. Доставка аминокислот к рибосомам (рис. 4.4) про-

изводится с помощью сравнительно небольших специальных молекул

транспортной РНК (тРНК). Небольшими эти молекулы, состоящие

примерно из сотни нуклеотидов, можно считать только по сравнению

с матричной РНК, состоящей из тысяч нуклеотидов.

98

Для каждой из двадцати аминокислот имеется свой тип молекулы

тРНК, которая обеспечивает доставку данной аминокислоты в рибо-

сому. Синтез белка происходит при движении рибосомы вдоль цепоч-

ки мРНК. При этом молекулы тРНК, несущие аминокислоты, выст-

раиваются, согласно коду молекул мРНК, в цепочку, параллельную

матричной РНК. На рис. 4.4 показано, что молекула мРНК начала

синтез белка, включающего, в частности, последовательность амино-

кислот ...«метионин—лейцин—валин—тирозин»... Валин был только

что добавлен к белковой цепочке, к которой перед этим были присо-

единены метионин и лейцин. Кодон мРНК, представляющий собой

триплет GUA, соединяется с молекулой тРНК, несущей аминокисло-

ту валин. Молекула тРНК доставляет эту аминокислоту к концу расту-

щей белковой цепочки и присоединяет валин к лейцину. Следующий

кодон мРНК, UAC, привлекает молекулу тРНК, несущую аминокис-

лоту тирозин.

Процессы транскрипции и трансляции можно описать, использо-

вав метафору французского ученого проф. К. Элена. На «фабрике» (в

клетке) чертежи хранятся в «библиотеке» (в ядре), а для «выпуска

продукции» (белков) используются не сами «чертежи» (ДНК), а их

«фотокопии» (мРНК). «Копировальная машина» (РНК — полимера-

за) выпускает или по одной «страничке фотокопии» (ген), или сразу

целую «главу» (набор генов с близкими функциями). Изготовленные

«копии» выдаются через специальные «окошки» (поры ядерной мем-

браны). Затем их используют на «монтажных линиях» (рибосомы) с

«дешифратором» (генетический код) для получения из «заготовок»

(аминокислот) окончательной «продукции» (белка).

2. БИОХИМИЧЕСКИЙ КОД НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

РАЗНООБРАЗИЕ БЕЛКОВ

Белки выполняют в организме самые различные функции. В каче-

стве ферментов они служат катализаторами химических реакций; в

роли гормонов они, наряду с нервной системой, управляют работой

различных органов, передавая химические сигналы. Белки использу-

ются в организме и как строительный материал (например, в мышеч-

ной ткани), и как транспортные средства (гемоглобин крови перено-

сит кислород).

Размах синтеза белка, происходящего в клетке, огромен. Геном

человека (набор последовательностей ДНК, определяющих генети-

ческую индивидуальность человека) содержит порядка 6 биллионов

нуклеотидов, из которых сформировано примерно 100 000 генов, чьи

размеры варьируют в пределах от 1000 до 2 миллионов нуклеотидных

пар. Если бы мы захотели описать эти 6 биллионов азотистых основа-

ний и предположили, что на одной странице можно уместить около

7* 99

3000 нуклеотидов, то нам понадобилось бы примерно 2 000 000 стра-

ниц — «многотомное собрание» нуклеотидов (и это для генома только

одного человека)!

Описание всех генов человека и расшифровки соответствующих

последовательностей ДНК — основная задача международного иссле-

довательского проекта «Геном Человека», который является самым

крупным генетическим проектом в мире. Благодаря усилиям многих

генетических лабораторий мира ученые будут иметь в своем распоря-

жении полное описание генома человека.

ТИПЫ И СТРУКТУРА ГЕНОВ

До конца 80-х — начала 90-х годов геном называли сегмент ДНК,

кодирующий полипептидную цепочку или определяющий функцио-

нальную молекулу РНК. Однако современные молекулярные исследо-

вания коренным образом изменили наше представление о структуре

гена. Сегодня понятием «ген» обозначается сегмент геномной ДНК

или РНК, выполняющий определенную функцию (причем выполне-

ние этой функции вовсе не означает, что ген должен быть транскри-

бирован и транслирован).

В настоящее время разделяют три типа генов: гены, кодирующие

белки, которые транскрибируются в РНК и затем транслируются в

белки; гены, кодирующие РНК; и регуляторные гены, которые со-

держат нетранскрибируемые последовательности. Гены, кодирующие

белки и РНК, называются структурными генами; их активность, «вклю-

чение» и «выключение» определяются генами-регуляторами.

По мере проникновения в молекулярную структуру генетического

материала все труднее становится находить в молекулах ДНК границы

того, что обозначается понятием «ген». Это связано с тем, что про-

цессы транскрипции (на ДНК) и трансляции (на мРНК) прямо не

совпадают ни по локализации, ни по составу нуклеотидов. Наконец,

постоянно увеличивается число открываемых генетических единиц. Так,

наряду со структурными и регуляторными генами обнаружены, на-

пример, участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей,

функции которых мы только начинаем понимать, и мигрирующие

нуклеотидные последовательности (мобильные гены).

Структура гена сложна, и в данном учебнике она подробно рас-

сматриваться не будет. Отметим только наиболее важные моменты. В

основном гены высших организмов имеют прерывистую структуру,

Обычно они состоят из блоков (экзонов) — транслируемых участков,

которые копируются в мРНК, переносимую в цитоплазму, и других

блоков (нитронов) — нетранслируемых участков, которых в мРНК

нет. На начальном этапе транскрипции ген копируется полностью в

пре-мРНК вместе с нитронами, которые затем «вырезаются», обра-

зуя зрелую мРНК. Так, некодирующая ДНК присутствует даже внут-

ри самих генов.

100

РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ

В каждый конкретный момент клетка не использует всю содержа-

щуюся в ее хромосомах генетическую информацию. Например, клет-

ки печени вырабатывают специфические ферменты, которые не син-

тезируются, скажем, клетками почек, хотя те и другие содержат в

своих ядрах одну и ту же ДНК. Кроме того, гены включаются и вык-

лючаются на разных стадиях онтогенеза: например, организм челове-

ка производит разные типы белка гемоглобина на разных этапах со-

зревания организма (ранний эмбриогенез, развитие плода, детство,

взрослый возраст). Синтез этих белков контролируется разными гена-

ми, которые включаются и выключаются на разных этапах онтогенеза.

Регуляция генной экспрессии осуществляется на нескольких уров-

нях при помощи целого набора клеточных механизмов. Общая задача

процесса регуляции — избежать напрасных затрат энергии и создать

условия для того, чтобы клетка производила наиболее эффективным

образом все, в чем она нуждается. Процесс регуляции разворачивает-

ся в соответствии с заданной генетической программой или в ответ

на изменения как во внутренней, так и во внешней среде организма.

Считается, что в геноме человека количество регуляторных генов при-

мерно соответствует количеству структурных генов.

Blog

Содержание