|
За осъществяването на материална приемственост и непрекъснатост между поколенията е необходимо генетичната информация да се предава от поколение на поколение. Голям принос за изясняване на материалния носител на наследствеността имат изследванията на екипа на Ейвъри Маклеод и МакКартни в периода 1940 – 1944 година. Тези изследвания доказват генетичната роля на ДНК.
Едно вещество е носител на наследствената информация, ако едновременно отговаря на следните условия:
1. Молекулите му са устроени така, че позволяват записване и запазване на наследствената информация;
2. Количеството му в клетките е постоянно, не се променя, не изчезва и не се синтезира наново;
3. Самопроизвежда се съвсем точно и новите копия се разпределят поравно във всички клетки и във всички индивиди;
От едно поколение на друго се предава информация за всички многообразни морфологични, физиологични и биохимични белези, които трябва да се формират в потомството. Молекулата, съхраняваща и предаваща наследствената информация е линеен хетерополимер. Открита е през 1869г. от Ф.Мишер в ядрата на животински клетки. ДНК се съдържа във всички организми от бактериите до човека, и изгражда хромозомите в клетъчните ядра на всички клетки.
Ролята на това съединение за наследствеността е установена като към хранителна среда, в която се развиват определен вид бактерии, се прибави изолирана друг вид ДНК, бактериалните клетки се изменят в посока свойствата на клетките, от които е изолирана тази ДНК. Тези изменения се предават и в потомството.
Съхраняване на генетичната информация. ДНК е високомолекулно съединение. Изградена е от нуклеотиди. Всеки нуклеотид съдържа монозахарид /дезоксирибоза/, фосфатен остатък и органични хетероциклени, съдържащи азот бази. Съединенията на дадена азотна база с пентозата се наричат нуклеозиди. Тези нуклеозиди, които имат фосфатни групи се наричат нуклеотиди. В молекулата на ДНК има четири различни азотни бази, респективно четири вида нуклеотиди. Две от базите са пиримидинови – цитозин и тимин, а другите две са пуринови – гуанин и аденин. Дезоксирибозата и фосфатните остатъци образуват скелета на всяка верига ДНК. Молекулите на ДНК се различават по подреждането на изграждащите ги азотни бази. Както редуването и комбинирането на буквите в думи определя техния смисъл, така и редуването на нуклеотидите и тяхното комбиниране в молекулата на ДНК дава възможност за записване на конкретната информация, т.е. наследствената информация е закодирана в специфичното подреждане на азотните бази в молекулата на ДНК.
Количеството на ДНК е постоянно в клетките на индивидите от един и същ вид. При това в телесните клетки тя е два пъти повече отколкото в зрелите полови клетки. Постоянното количество и особеностите в строежа на ДНК удовлетворяват първите две условия за вещество – носител на наследствената информация.
Третото условие за точното възпроизвеждане на ДНК е осигурено от строежа и правилото за комплементарността на двете съставящи я вериги. При всички ДНК молекули Ц, т.е. пуринови към пиримидинови бази е 1:1 /правилосъотношението на А=Т и Г на Чаргаф/. През 1953г. Уотсън и Крик представят модел на молекулата на ДНК изградена от две захаро-фосфатни вериги, завити около обща ос и от перпендикулярно свързани азтони бази чрез две водородни връзки между аденин и тимин и три водородни връзки между гуанин и цитозин. Молекулата може съвсем точно да се самовъзпроизвежда, тъй като подреждането на базите от едната верига изисква точно определено подреждане на базите от комплементарната верига.
В процеса на митозата наследствената информация записана в молекулата на ДНК от майчината клетка се предава на двете дъщерни клетки. За това е необходимо предварително удвояване на ДНК по време на синтетичния период на интерфазата. Процесът на удвояване на ДНК, при който една изходна молекула създава две дъщерни молекули, които по химичен състав и молекулна структура са нейни точни копия, се нарича репликация нагенетичната информация. Репликацията се извършва въз основа на матричния принцип – макромолекула копира първичната структура на друга макромолекула: новоизградената ДНК копира структурата на майчината молекула, въз основа на комплементарното сдвояване на базите.
Според пространствения модел на Уотсън и Крик са възможни два механизма за протичане на процеса:
1/ Консервативна репликация. Родителската молекула ДНК остава напълно запазена. Тя служи като матрица /шаблон/ за синтеза на дъщерната молекула. Така едната дъщерна клетка след деленето носи родителската молекула ДНК, а другата – новосинтезираната молекула ДНК.
2/ Полуконсервативна репликация. Всяка от дъщерните молекули ДНК носи една верига от родителската ДНК и една новосинтезирана верига ДНК. Такъв механизъм предполага предварителното разделяне на двете ДНК вериги в процеса на синтезиране на новите вериги.
Механизмът на репликацията на ДНК е разгадан през 1958г. от Мелесон и Шаал. Те доказват полуконсервативния принцип на репликацията.
Репликацията започва винаги от специфични нуклеотидни последователности, известни като “начало”. При повечето прокариоти, “началото” е от едни и същи последователности, докато при еукариоти има множество различни нуклеотидни последователности за “начало”. За репликацията на ДНК се необходими няколко условия и комплекс от около 20 белтъка:
1. Ензими за разплитането на двойната спирала на ДНК, като се разкъсват водородните връзки между базите и така се осъществяват матриците необходими за репликацията. Ензимът се наричат ДНК-хеликаза;
2. Ензими, катализиращи полимеризацията /синтеза на новоизграждащите се вериги/. Наричат се ДНК-полимерази.
3. Енергия /АТФ/.
4. Четирите свободни нуклеотида, активирани до дезокси нуклеотид – 5’ трифосфати: дАТФ, дЦТФ, дГТФ, дТТФ;
5. Майчина молекула ДНК – матрица;
Самият механизъм на репликация започва със създаването в двойноверижната ДНК на т.нар. репликационна вилка. Специфичен ензим – ДНК-хеликаза с помощта на енергия от АТФ разделя двете вериги на родителската ДНК, чрез скъсване на водородните връзки между азотните бази Ц/. За да се избегне формирането на нови водородни връзки, всяка от/А=Т, Г веригите се покрива от белтъци. Така матриците за синтез са осигурени. Ензимите, осигуряващи “съшиването” на новосинтезираните вериги т.е. на техните нуклеотиди са ДНК-полимерази – I и III.
Характерно е, че и двата ензима осъществяват полимеризацията на новите дъщерни вериги само в една посока – от 5’ към 3’ края. За начало е необходим един свободен 3’ ОН край, към който да се прибавят следващите нуклеотиди към растящата верига по правилото за комплементарност Ц/. Поради изискването на 3’ОН край от полимеразите и антипаралелния/А=Т, Г спин на двете вериги в ДНК, само една от двете растящи вериги може да се синтезира по непрекъснат начин. Тя се нарича водеща верига. В нея действа ензима ДНК-полимераза III.
Скоро след началото на синтеза във водещата верига, започва синтез и в закъсняващата. В нея синтезата се извършва по прекъснат начин, на отделни фрагменти, наречени по-късно по-името на откривателя им фрагменти на Оказаки /1968г./. Дължината на тези фрагменти при прокариоти е 1000 – 2000 нуклеотида, а при еукариоти едва 100 – 200. Поради липсата на свободен 3’ОН край в закъсняващата верига, синтезата тук се предхожда от създаване на РНК-зачатък, откъдето ДНК-полимераза III продължава изграждането на новата верига. По-късно този РНК-зачатък се премахва от ДНК-полимераза I, като се заменя с ДНК участък. В края на репликацията всяка дъщерна молекула съдържа по една стара /майчина/ и по една новосинтезирана верига ДНК.
Репликацията на ДНК при прокариоти се различава от тази на еукариоти. Тяхната ДНК е кръгова молекула /нуклеоид/ и репликацията започва винаги в точно определено място. Извършва се по т.нар. модел на търкалящия се кръг, протича едновременно в двете посоки около изходните ДНК-вериги на кръговата молекула.
При еукариоти процесът на репликация завършва на определени места. Там ДНК веригата се завива в обратна посока и се образува структура, наподобяваща иглено ухо.
Репликацията на ДНК става сравнително бързо. При бактерии скоростта е 30 микрона в минута, т.е. за една секунда участък от 500 нуклеотида. При някои бактериофаги скоростта е още по-висока – 900 нуклеотида за секунда. Еукариотните организми имат много по-дълги молекули ДНК в сравнение с прокариотните. Репликацията при тях се извършва едновременно в много реплициращи се участъци, наречени репликони. Колкото е по-голяма молекулата ДНК, толкова повече репликони има в нея.
Реализация на наследствената информация.
Редица изследвания показват, че записаната в ДНК информация се реализира при формирането на различни белези в организма. Специфичните свойства се определят от вида на изграждащите белтъчни молекули. Реализацията на наследствената информация означава биосинтез на белтъци, който се извършва в цитоплазмата на клетката. ДНК носи информация за синтеза на белтъци, но тя се намира в ядрото и не го напуска, а биосинтезата на белтъци се извършва в цитоплазмата. Следователно ДНК не може да осъществява пряк контрол върху синтезирането на белтъците. Пренасянето на генетичната информация се осъществява чрез синтезирането на молекули – посредници, които пренасят записаната в ДНК информация от ядрото в цитоплазмата. Молекулите посредници са иРНК и представляват общо около 2% от всички РНК в клетката.
Синтеза на РНК молекули-посредници за пренос на генетичната информация от ядрото (ДНК) в цитоплазмата на клетката се нарича транскрипция /англ. – презапис/ на генетичната информация. При транскрипцията информацията се пренася от двойноверижна молекула ДНК към едноверижна молекула – РНК. Тя се извършва на същия принцип като репликацията – комплементарност на базите върху матрица ДНК. Различията между репликацията и транскрипцията са:
1. Репликацията се извършва преди деленето на клетката, еднократно, а транскрипция – през целия живот на клетката, върху отделни гени, кодиращи необходимите за клетката белтъци.
2. При репликация участват като матрица цялата молекула ДНК, а при транскрипция само отделни участъци от ДНК произвеждат много и еднакви копия молекули иРНК.
3. При репликация всяка молекула ДНК се реплицира само по веднъж, а при транскрипция копия РНК се произвеждат само върху едната верига ДНК, но коя именно още не е изяснено.
Необходимите условия за протичане на траскрипция са:
1. Матрица – участък от ДНК, определени нуклеотидни последователности от едната верига;
2. Наличие на ензими – РНК-полимерази.
3. Рибонуклеотиди – 5’ трифосфати рАТФ, рГТФ, рЦТФ и рУТФ /във веригата РНК базата тимин от ДНК е заменена с урацил/
4. Енергия /АТФ/
Синтезата на РНК протича винаги от 5’ към 3’ края на веригата. Самата транскрипция започва след отварянето на ДНК в продължение на две извивки /около 18 нуклеотидни двойки/. Към освободените от водородни връзки азотни бази Ц/ свободнисе присъединяват по правилото за комплементарност /А=У, Г нуклеотиди. Транскрипцията започва от точно определено място на ДНК веригата, наречено промотор. Промоторът е началната част от участъка на ДНК, който се транскрибира – транскрипционната единица. Взаимодействието между специфичен белтък /сигма фактор/ и промотора дава началото на процеса. РНК-полимераза започва синтеза, след което сигма факторът се отделя и се включва ензимният комплекс за продължаването на синтезата до терминиращия участък. Така в ядрото се синтезират всички видове РНК: иРНК, тРНК, рРНК и преминават през ядрената мембрана в цитоплазмата. При еукариоти РНК-полимеразите са три – I, II и III, като всяка от тях контролира синтезирането на точно определен вид РНК. Скоро след синтезата на иРНК към 5’ края се извършват промени в първичните РНК молекули – прикачват се метилирани бази гуанин, а на 3’ края - 100 – 200 бази аденин /”аденинова шапка”/, освен това от РНК се “изрязват” интроните /участъци без информация/. Тези процеси са необходими за предпазване на РНК от ензимите – нуклеази, до преминаването им през ядрената мембрана.
При всички организми презаписването на информацията от ДНК води до образуването и на трите типа РНК, които по-късно участват в третия всеобщ пренос на информацията от РНК към белтъка.
С откриването на генетичните закони се доказва съществуването на единица за наследственост, предаваща се от родителите на потомството. През 1911г. Йохансен нарича тази единица ген. Генът е участък от молекулата ДНК, който носи информация за синтез на една молекула иРНК или полипептид.
Белезите се определят от структурата и функцията на белтъците. При промяна в гените белтъчните молекули променят структурата и функцията си. Например сърповидно-клетъчната анемия при човека е във връзка с това.
Наследствената информация, съвкупността от всички гени се съхранява в молекулата на ДНК. Тази информация достига до цитоплазмата и рибозомите чрез молекулите посредници – РНК и се извършва изграждането на полипептидните вериги от аминокиселини.
Молекулата на ДНК е изградена от комбинацията на 4 нуклеотида, а белтъчните молекули – от комбинирането на 20 аминокиселини. Между аминокиселините и нуклеотидите няма сходство, което да позволи разпознаването им. През 1956г. е разкрит механизмът за кодирането на наследствената информация: три последователни нуклеотида от веригата на ДНК, наречени триплет или още кодон, определят мястото на точно определена аминокиселина в полипептида. Възможните комбинации от кодони са 64. 61 от тях определят мястото на всяка от 20-те аминокиселини, а 3 са безсмислени (стоп-кодони). Начинът за записване на наследствената информация в молекулата на ДНК се нарича генетичен код. Генетичният код има следните свойства: той е троичен, еднозначен, неприпокриващ се, изроден и универсален.
Генетичната информация се пренася от ДНК в иРНК, а оттам в белтъците. Реализирането на закодираната в нуклеотидната последователност на иРНК информация в определена аминокиселинна последователност на съответния белтък се нарича транслация /англ. – превеждане/. Извършва се превод от “четирибуквена” на “20 буквена азбука”, чрез участието на тРНК, иРНК, рРНК.
Молекулите преводачи са с пространствено сходство и с нуклеотидните последователности на иРНК, и с аминокиселините. Това са транспортните РНК. За всяка аминокиселина има поне една тРНК. Всички тРНКи са изградени от около 80 нуклеотида и са с подобна структура – с форма на детелинов лист. В двойноверижните участъци базите са комплементарни. Всяка тРНК има два специфични участъка: единият е три-нуклеотидна последователност на 3’ края, служещ за връзка с аминокиселината; вторият край също се състои от 3 нуклеотида е в антикодоновата бримка за разпознаване на съответния кодон от иРНК. Другите две бримки служат за свързване с рибозомите и с активиращия ензим. Самият белтъчен синтез се осъществява в рибозомите в цитоплазмата.
Начало на транслацията /инициация/. Информационната РНК с началния си “стартиращ” процеса кодон, се свързва с малката субединица на дадена рибозома. Образува се иницииращият комплекс на транслацията. Към него се присъединява тРНК, която носи аминокиселината метионин. Синтезът на всеки белтък започва с тази аминокиселина. Към иницииращия комплекс се прикрепя и голямата субединица на рибозомата. Така рибозомата е функционално готова за извършване на белтъчен синтез.
Удължаване на полипептидната верига /елонгация/. Рибозомата има два участъка за връзка с тРНК. Условно се наричат “вход” и “изход”. Първата тРНК се свързва с “изхода” на рибозомния комплекс. Азотните бази на нейния антикодон се свързват комплементарно със съответните бази от първия кодон на иРНК. На “входа” на рибозомата се намира вторият кодон на иРНК, с който се свързва втора тРНК със съответната аминокиселина, която транспортира. Двете аминокиселини се свързват чрез пептидна връзка, отделяйки молекула вода и образуват дипептид. Дипептидът остава свързан с тРНК, намираща се на “входа” на рибозомата. Транспортна РНК, стояща на “изхода”, напуска рибозомния комплекс и в цитоплазмата на клетката се свързва отново с аминокиселина.
“Входът” на рибозомата е блокиран от тРНК, която носи дипептида. Рибозомата се придвижва с един кодон по дължината на иРНК. Така тРНК с дипептида се озовава на “изхода” на рибозомата, а “входът” се освобождава. Нова тРНК, носеща аминокиселина се прикрепва към рибозомата, разпознавайки кодона от иРНК със своя антикодон. Новата аминокиселина се свързва с дипептида, при което тРНК, с която до момента той е бил свързан, се освобождава и напуска рибозомата. Процесът се повтаря многократно. При придвижването на рибозомата по дължината на цялата иРНК нараства полипептидната верига.
Най-често една иРНК се свързва едновременно с няколко рибозоми, подредени една след друга. Група от рибозоми, които са едновременно свързани с една и съща иРНК верига, се наричат полирибозоми или полизоми. По такъв начин наследствената информация преписана в една молекула иРНК, се реализира чрез едновременното синтезиране на няколко идентични полипептидни вериги.
Всяка аминокиселина заема онова място от полипептидната верига, което е закодирано в молекулата на ДНК, преписано от молекулата на иРНК и разпознато от съответната тРНК. Първичната структура на белтъчната молекула зависи изцяло от информацията, преписана в молекулата на иРНК и не зависи от тРНК, рибозомите и ензимите, участващи в транслацията. Почти всички аминокиселини се кодират от повече от един кодон. Кодоните за дадена аминокиселина се различават най-често по третия си нуклеотид. Значението на третия нуклеотид е да осигурява допълнително свързване на тРНК с рибозома. Така престоя на тРНК върху рибозомата се удължава докато това е необходимо за белтъчния синтез.
Край на транслацията /терминация/. Когато рибозомата достигне до който и да е от трите стоп-кодони, синтезът на полипептидната верига се прекъсва. Двете субединици на рибозомата се разделят и веригата на белтъка се освобождава в цитоплазмата на клетката. По-късно двете субединици на рибозомата могат да се включат в друг цикъл за синтез на белтъци.
В молекулярната генетика са известни три вида т.нар. частни преноси на генетична информация:
1. от РНК към РНК – при клетки заразени с РНК вируси;
2. от РНК към ДНК – в животински клетки заразени с ретровирус;
3. от ДНК към белтъци – само в лабораторни условия в присъствие на някои антибиотици рибозомите губят способност за връзка с тРНК. Тогава едноверижни молекули ДНК могат да предават информация за синтез на белтъци;
Забранен пренос се нарича преносът на информацията от белтък към ДНК или от белтък към РНК. За такива преноси няма данни.
Разкриването на механизмите на репликацията, транскрипцията и транслацията дава възможност за намеса на учените в контрола на генетичната активност. В процеса на еволюцията организмите са си изработили клетъчни механизми за това кога, за колко време, от кои гени, в каква последователност ще се транскрибира наследствената информация. Механизмите за контрол на генната активност са разкрити от Жакоб и Моно, за което през 1965г. те получават Нобелова награда. Това е един от големите триумфи на молекулярната биология.
|
