Генетический код, ДНК. Свойства генетического кода

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

 

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Южный федеральный  университет»

Факультет филологии и  журналистики

Дисциплина: КСЕ

Реферат

 

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД, ДНК. СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА.

 

 

 

 

Выполнила: студентка 4 курса  ОЗО

Великова О.А.

 

Преподаватель: 
Тихонов А.В.

 

Ростов-на-Дону

2013

Содержание

 

Введение 2

1. Общие понятия о дезоксирибонуклеиновых кислотах 3

2. Структура ДНК 4

3. Понятие генетического кода 9

4. Свойства генетического кода 10

Заключение 11

Список использованных источников 12

Введение

 

Нуклеиновые кислоты имеют  первостепенное биологическое значение и представляют собой сложные  высокомолекулярные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Они  впервые были обнаружены в ядрах  клеток, откуда и их название (нуклеус  — ядро). Дезоксирибонуклеиновая кислота́ (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых  кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и  реализацию генетической программы  развития и функционирования живых  организмов. Основная роль ДНК в  клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и  белков. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколениях потомков, т.е. ДНК-носитель наследственной информации.

Немного из истории. Немного  из истории. ДНК впервые были открыты  Мишером (F. Micscher, 1869), который назвал полученное вещество нуклеином (лат. nucleus ядро). Впоследствии было показано, что нуклеин представляет собой высокомолекулярную, содержащую фосфор кислоту, находящуюся в комплексе с белками, поэтому стали различать собственно нуклеиновую кислоту (Альтманн (R. Altmann), 1889) и ее комплексы с белками — нуклеопротеиды. Выяснилось, что нуклеиновая кислота из дрожжей содержит аденин, гуанин, цитозин и урацил, тогда как нуклеиновая кислота. выделенная из тимуса теленка, вместо урацила содержит тимин. Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов.

Эти важные открытия дали старт  глубокому изучению ДНК как основу генетического материала.  На основе этой молекулы строится вся жизнь.

1. Общие понятия о дезоксирибонуклеиновых кислотах

 

Дезоксирибонуклеиновые  кислоты (ДНК) — нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксприбозу, а в качестве одного из пиримидиновых оснований — тимин, которым в молекулах рибонуклеиновых кислот соответствуют рибоза и урацил. ДНК представляют собой линейные полимеры дезоксирибонуклеотидов, в последовательности азотистых оснований которых закодирована вся наследственная информация.

 Таким образом, ДНК данного организма содержит в себе информацию о всех признаках вида и особенностях индивидуума — его генотип — и передает эту информацию потомству, воспроизводя определенную последовательность оснований в строении индивидуальных ДНК. Поскольку молекулы ДНК очень больших размеров и имеют структуру двойной спирали. И существует огромное множество возможных неодинаковых последовательностей из четырех различных нуклеотидов, число разных молекул ДНК практически бесконечно.

В природе ДНК содержатся во всех организмах за исключением  РНК-содержащих вирусов. ДНК являются типичным компонентом клеточного ядра, в котором они находятся в  комплексе с белками, главным  образом гистонами, образуя дезоксприбонуклеопротеиды, составляющие основу цитологической структуры хроматина и вещества хромосом. ДНК обнаружена также в хлоропластах растительной клетки и в митохондриях животных и растений, в которых она кодирует часть белков этих структур, благодаря чему они обладают некоторой автономией и лишь частично зависят от ДНК ядра.

2. Структура ДНК

 

Молекулы ДНК являются линейными макромолекулами, представляющими  собой длинные двойные цепи (тяжи) полимеров. Составленных из мономеров, получивших название нуклеотидов (малых  органических молекул) и являющихся строительными блоками ДНК.

У всех живых существ макромолекулы  ДНК построены по одному и тому же плану. Они слагаются в основном из одних и тех же нуклеотидов.  В состав нуклеиновых кислот входят пуриновые (А, Г) и пиримидиновые основания (Ц, Т) и простейшие углеводы; он выделил аденин (А) и гуанин (Г), фосфорную кислоту и углеводы. Если в построении белка участвует 20 аминокислот, то нуклеотидов — всего 4 (хотя сами они — достаточно сложные образования). Их фосфатные группы освобождают в растворах ионы водорода. Сахар может быть в двух вариантах: рибоза (Р), представляющая сахар с пятью атомами углерода, к одному из которых присоединена гидроксильная группа (—ОН), и дезоксирибоза (Д), в молекуле которой в отличие от глюкозы не 6, а 5 атомов углерода (пентоза) и к одному из атомов углерода присоединен атом водорода. При этом они никогда не встречаются одновременно, поэтому этим сахарам соответствуют два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Сначала думали, что они тоже разобщены в клетках: ДНК — в ядре, а РНК — вне его. Теперь ясно, что ДНК находится в основном в ядре (хромосомах), а частично — в других клеточных компонентах (например, хлоропластах зеленых растений).

 

Основания —  другой компонент нуклеотида — названы  так, потому что реагируют как  основания: в кислой среде способны присоединять ион водорода. Они тоже могут относиться к двум группам: пиримидинов, в основе строения которых — шестичленное кольцо (рис. 11.2, а), и пиринов, у которых к пиримидиновому присоединено пятичленное кольцо (рис. 11.2, б). В ДНК последовательно соединены дезоксирибонуклеотиды, каждый из которых содержит какое-то из четырех оснований (А, Ц, Г, Т), а РНК — рибонуклеотиды, содержащие тоже по одному основанию (А, Ц, Г, У). Все молекулы имеют форму цепи (от 77 до нескольких миллионов нуклеотидов).

Нуклеотиды —  не только составная часть нуклеиновых  кислот, они входят в состав ферментов в качестве активных групп — коферментов (так Тодд назвал комплекс азотного основания, углевода и остатка фосфорной кислоты). Блоки А, Г, Т, Ц образуют длинную полимерную цепь, соединяясь друг с другом в разных комбинациях. Американский биохимик Э.Чаргафф сформулировал (1948) правила регулярности в парных отношениях пуриновых и пиримидиновых оснований в молекулах нуклеиновых кислот: 1 — общее количество гуанина и аденина (из группы пуринов Г и А) равно количеству цитизина и тимина (из группы пиримидинов Ц и Т), т.е. А + Г = Т + Ц; 2 — отношения А/Т и Г/Ц примерно равны единице, т.е. А = Т и Ц = Г; 3) — при этом Г + Т = А + Ц; 4 — ДНК из разных источников может иметь отличия — в одних случаях А + Т>Г + Ц, ав других — Г + Ц>А + Т. Эти правила явились предтечей открытия двойной спирали ДНК.

Для молекулы ДНК тоже характерна структура трех видов — первичная, вторичная и третичная. Первичная структура ДНК состоит из нуклеотидных цепей, у которых скелетную основу составляют чередующиеся сахарные и фосфатные группы, соединенные ковалентными связями, а боковые части представлены одним из четырех оснований и присоединяются одна к другой молекулой сахара. Нуклеотиды расположены друг за другом и связаны ковалентно с фосфатом и сахарным остатком, образуя полинуклеотидную цепь.

Вторичная структура была сформулирована Д.Уотсоном и Ф. Криком. Две идущие рядом нити, скрепленные одна с другой перемычками и свившиеся в двойную спираль, и есть молекула ДНК. Обе нити одинаковы по длине, остатки пар А—Т и Г—Ц разделены одинаковыми расстояниями. Двойная спираль имеет упорядоченный характер, так как каждая связь основание — сахар находится на одинаковом расстоянии от оси спирали и повернута на 36°, причем в каждой из них в зависимости от вида ДНК могут быть до миллионов блоков — нуклеотидов. Порядок их чередования определяет наследственную информацию, записанную в ДНК и передаваемую следующим поколениям. Первое предположение о роли нуклеиновых кислот в качестве генетического материала сформулировал доцент Петербургского университета А. Щепотьев (1914). Химики понимали, что ДНК собрана из нуклеотидов, имеющих фосфатную группу, связанную ковалентно с пятиуглеродным сахаром, который связан с одним из четырех азотистых оснований. Нуклеотиды соединены друг с другом так, чтобы фосфатная группа одного была связана с сахаром предыдущего, и из их чередующихся комбинаций образуется длинная цепочка — сахарофосфатный остов молекулы. По одну сторону под прямым углом к остову располагаются основания.

Молекула ДНК оказалась  закручена в спираль: снаружи  спирали — остов, а внутри —  перпендикулярные ему основания. На один виток спирали приходилось  примерно по десять нуклеотидов, а ее толщина указывала, что скручено более одной нити. Итак, вторичная структура отражает форму нуклеиновой кислоты. Степень скручивания ДНК зависит от ферментов.

В живых клетках цепи очень  длинные, содержат до 10⁸ пар в ряд и свиты в плотный клубок. У человека длина такой винтовой лестницы в размотанном состоянии достигает нескольких метров, и это одна молекула! Отсюда — огромность числа возможных вариантов расположения молекул в ДНК. И это разнообразие связано с разнообразием жизни, а расположение четырех типов пар в молекуле ДНК задает всю программу, говорит клетке, как ей развиваться и что делать.

Диаметр двойной спирали 2 • 10^-9 м (2 нм), расстояние между соседними парами оснований спирали 0,34 • 10^-9 м (0,34 нм), полный оборот спирали завершается через 10 пар, а длина зависит от организма, которому принадлежит эта молекула ДНК. Длина плодовой мушки (дрозофилы) 4 • 10^-3 м, а самой длинной ее хромосомы — в 10 раз больше. У простейших вирусов ДНК содержит несколько тысяч звеньев, у бактерий — несколько миллионов, а у высших — миллиарды. Если выстроить в одну линию молекулы ДНК, заключенные в одной клетке человека, то получится длина в 2 м, т. е. длина в миллиард раз больше толщины. Но она умещается в клеточном ядре, значит, ее «укладка» такова, чтобы по всей длине она была доступна для белков, которым нужно «читать» гены. Основания, соединенные слабой водородной связью, взаимно дополняют друг друга, и каждая цепь автоматически поставляет информацию для нахождения партнера. В эукариотических клетках основные части ДНК и белков сплетены так, что напоминают нить бус. Каждая такая «бусинка» окружена четырьмя ядерными блоками и содержит около 200 сдвоенных оснований, а «нить» состоит из ДНК и ядерного белка (гистона), отличного от того, что входил в состав «бусинок».

О расшифровке структуры  ДНК сообщалось в статье Уотсона  и Крика, занявшей всего две странички  в журнале, но открывшей новую  эпоху в раскрытии тайны жизни. В публикации (1953) Крик и Уотсон отметили, что такая структура хорошо объясняет  и процесс «воспроизводства»  этой молекулы. При рассоединении  цепей возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда около каждой старой возникнет новая цепь, точно ей соответствующая. Так впервые пришли к структуре, способной к самовоспроизведению. Число два удовлетворило биологов, поскольку и клетки, и хромосомы воспроизводятся путем деления исходной на две.

Третичная структура ДНК, определяемая трехмерной пространственной конфигурацией молекул, пока изучена недостаточно.

Исследования показали, что  ДНК может существовать в двух формах: А (при низкой влажности) и  В (при высокой). Для обеих форм построили молекулярные модели. Из дифракционных картин волокон ДНК  информацию получить было достаточно трудно, так как у цепи ДНК вдоль  оси расположены волокна беспорядочно, но была подтверждена ее спиральная структура. К настоящему времени исследователи  научились синтезировать в необходимом  количестве и получать в достаточно чистом виде короткие участки ДНК  заданной последовательности, что позволяет  закристаллизовать фрагменты молекулы длиной от 4 до 24 пар оснований и  исследовать эти кристаллы с  помощью рентгеноструктурного анализа. Исследования дали действительную похожесть  обеих форм на гибкую лестницу, закрученную  спирально вокруг центральной оси.

3. Понятие генетического кода

 

Генетический  код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: - А (A) аденин; - Г (G) гуанин; - Ц (C) цитозин; - Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил (в мРНК).

Реализация генетического  кода в клетке происходит в два  этапа: транскрипцию и трансляцию.

Первый из них протекает  в ядре; он заключается в синтезе  молекул и-РНК на соответствующих  участках ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК "переписывается" в нуклеотидную последовательность РНК. Второй этап протекает в цитоплазме, на рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится  в последовательность аминокислот  в белке: этот этап протекает при  участии транспортной РНК (т-РНК) и  соответствующих ферментов.

 

4. Свойства генетического кода

 

Принято выделять следующие  свойства генетического кода:

 

Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)[11]