Шпаргалка по "Биологии"

                                                                     2-модуль

1. Химический состав нуклеотидов ДНК и РНК, их сходство и отличия.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающаяхранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи). В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессетрансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине 1962 г. Розалинд Франклин, которая получила рентгенограммы, без которых Уотсон и Крик не имели бы возможность сделать выводы о структуре ДНК, умерла в 1958 г. от рака, а Нобелевскую премию не дают посмертно[1].

Рибонуклеи́новая кислота́ (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами. Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемомтрансляцией. Трансляция — это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например,транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.

Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так, малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных РНК и других процессах.

Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы), у отдельных РНК обнаружена собственная ферментативная активность: способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.

Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.

Между ДНК и РНК есть три основных отличия:

1. ДНК содержит сахар дезоксирибозу, РНК — рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой, гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть уменьшает стабильность молекулы РНК.
2. Нуклеотид, комплементарный аденину, в РНК не тимин, как в ДНК, а урацил — неметилированная форма тимина.
3. ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул. Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечные.

Структурный анализ биологически активных молекул РНК, включая тРНК, рРНК, мяРНК и другие молекулы, которые не кодируют белков, показал, что они состоят не из одной длинной спирали, а из многочисленных коротких спиралей, расположенных близко друг к другу и образующих нечто, похожее на третичную структуру белка. В результате этого РНК может катализировать химические реакции, например, пептидил-трансферазный центр рибосомы, участвующий в образовании пептидной связи белков, полностью состоит из РНК

2. Принцип комплементарности и каково его биологическое значение?

КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ (от лат. complementum — дополнение) — 1) пространственная взаимодополняемость молекул, приводящая к образованию вторичной и третичной структуры макромолекул. Принцип комплементарности лежит в основе многих важнейших биологических процессов, основанных на «узнавании» на молекулярном уровне: взаимодействие ДНК–иРНК, иРНК–тРНК, образование «шпилек» (комплементарно спаренных участков) в молекулах ДНК и тРНК, формирование третичной и четвертичной структуры белков. Комплементарно взаимодействуют антитело и антиген, субстрат и фермент; 2) один из типов взаимодействия двух неаллельных генов, при котором их совместное присутствие в генотипе обеспечивает развитие нового признака, отсутствовавшего у родительских особей. Например, при скрещивании самки дрозофилы с алыми глазами с самцом, имеющим бурые глаза, в первом поколении гибридов проявляется темно-красная окраска глаз, характерная для мух дикого типа.

Принцип комплементарности (дополнительности) используется, когда к одной цепи ДНК надо построить вторую. А соответствие, в данном случае, это способность образовывать водородные связи.

Поскольку цепь ДНК построена из простых нуклеотидов, водородные связи между собой образуют аденин и тимин (в РНК — урацил), гуанин и цитозин.

Принцип комплементарности  наблюдается при транскрипции ДНК в РНК.

Комплементарность в молекулярной биологии, взаимное соответствие, обеспечивающее связь дополняющих друг друга структур (макромолекул, молекул, радикалов) и определяемое их химическими свойствами. К. возможна, «если поверхности молекул имеют комплементарные структуры, так что выступающая группа (или положительный заряд) на одной поверхности соответствуют полости (или отрицательному заряду) на другой. Иными словами, взаимодействующие молекулы должны подходить друг к другу, как ключ к замку» (Дж. Уотсон) . К. цепей нуклеиновых кислот основана на взаимодействии входящих в их состав азотистых оснований. Так, только при расположении аденина (А) в одной цепи против тимина (Т) (или урацила — У) в другой, а гуанина (Г) — против цитозина (Ц) , в этих цепях между основаниями возникают водородные связи. К. — по-видимому, единственный и универсальный химический механизм матричного хранения и передачи генетической информации. Другой пример К. — взаимодействие фермента с соответствующим субстратом. В иммунологии говорят о К. антигена и соответствующих ему антител. В биологической литературе термин «К. » иногда употребляют в значении, близком к понятию комплементация.  
 
В двойной цепи ДНК или РНК напротив нуклеотида с аденином может быть только с тимином (в РНК с урацилом) , а напротив нуклеотида с гуанином - только нуклеотид с цитозином.

3. Что такое код наследственности и какова его химическая природа? Что такое кодовое число?

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД, способ записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности образующих эти кислоты нуклеотидов. Определённой последовательности нуклеотидов в ДНК и РНК соответствует определённая последовательность аминокислот в полипептидных цепях белков. Код принято записывать с помощью заглавных букв русского или латинского алфавита. Каждый нуклеотид обозначается буквой, с которой начинается название входящего в состав его молекулы азотистого основания: А (А) – аденин, Г (G) – гуанин, Ц (С) – цитозин, Т (Т) – тимин; в РНК вместо тимина урацил – У (U). Каждую аминокислоту кодирует комбинация из трёх нуклеотидов – триплет, или кодон. Кратко путь переноса генетической информации обобщён в т. н. центральной догме молекулярной биологии: ДНК ` РНК f белок.  
 
В особых случаях информация может переноситься от РНК к ДНК, но никогда не переносится от белка к генам.  
 
Реализация генетической информации осуществляется в два этапа. В клеточном ядре на ДНК синтезируется информационная, или матричная, РНК (транскрипция). При этом нуклеотидная последовательность ДНК «переписывается» (перекодируется) в нуклеотидную последовательность мРНК. Затем мРНК переходит в цитоплазму, прикрепляется к рибосоме, и на ней, как на матрице, синтезируется полипептидная цепь белка (трансляция). Аминокислоты с помощью транспортной РНК присоединяются к строящейся цепи в последовательности, определяемой порядком нуклеотидов в мРНК.  
 
Из четырёх «букв» можно составить 64 различных трёхбуквенных «слова» (кодона). Из 64 кодонов 61 кодирует определённые аминокислоты, а три отвечают за окончание синтеза полипептидной цепи. Так как на 20 аминокислот, входящих в состав белков, приходится 61 кодон, некоторые аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (т. н. вырождённость кода). Такая избыточность повышает надёжность кода и всего механизма биосинтеза белка. Другое свойство кода – его специфичность (однозначность): один кодон кодирует только одну аминокислоту.  
 
Кроме того, код не перекрывается – информация считывается в одном направлении последовательно, триплет за триплетом. Наиболее удивительное свойство кода – его универсальность: он одинаков у всех живых существ – от бактерий до человека (исключение составляет генетический код митохондрий). Учёные видят в этом подтверждение концепции о происхождении всех организмов от одного общего предка.  
 
Расшифровка генетического кода, т. е. определение «смысла» каждого кодона и тех правил, по которым считывается генетическая информация, осуществлена в 1961–1965 гг. и считается одним из наиболее ярких достижений молекулярной биологии.

4. Что представляет собой цитоплазматическая наследственность, приведите её примеры.

В случае партеногенеза или наследованиее при полиплоидии наследуемые признаки передавались через ядерные структуры - хромосомы . Различия состояли только в том, сколько таких хромосом имеется в клетке и получает ли организм их от обоих родителей или только от одного. Но, кроме того, существует еще особый тип передачи наследуемых признаков - не через ядро, а через цитоплазму клетки. В этом случае говорят о нехромосомной, или цитоплазматической наследственности. Наиболее важные случаи нехромосомной наследственности - это наследование пластид и митохондрий .

Растительные клетки содержат особые органеллы, так называемые пластиды , которые имеют собственную кольцевую хромосому и размножаются делением. Если клетка утратила пластиды, то она не способна образовать их заново. Например, обычно эвглена зеленая содержит около 100 хлоропластов . При выращивании эвглены в темноте ее хлоропласты не делятся, в то время как сами одноклеточные продолжают делиться. В результате этого процесса появляются эвглены, не имеющие хлоропластов. У таких эвглен новые хлоропласты не образуются.

Пластиды обычно передаются с яйцеклеткой , но не передаются со спермиями, практически лишенными цитоплазмы. (Однако имеются и исключения, например, спермин герани содержат цитоплазму и пластиды).

Ясно, что наследование пластид подчиняется особым правилам. Этот тип наследования был описан немецкими учеными, (переоткрывшими законы Менделя) еще в 1908 г. при изучении передачи по наследству пестролистности у растений. Рассмотрим этот пример более подробно.

Пестролистные растения состоят из клеток с нормальными пластидами, содержащими хлорофилл и имеющими зеленый цвет, и из клеток с мутантными пластидами, которые не содержат хлорофилла и имеют белый цвет. Листья таких растений "пестрые", т.е. состоят из участков с разной окраской, от чисто зеленой до чисто белой. Нередко одна ветка такого растения несет зеленые листья, а другая - белые. Сами по себе белые листья не могли бы выжить, так как в них не идет процесс фотосинтеза. Но на пестролистном растении они выживают, и на ветках с такими листьями даже могут развиваться цветки, так как они получают питательные вещества от нормальных частей растения.

Пластиды наследуются только по материнской линии ( рис. 116 ). Поскольку пыльцевые клетки не содержат пластид, то, например, при опылении цветка нормального зеленого растения пыльцой цветков, развившихся на ветках с зелеными или с бесцветными листьями, все равно получаются гибриды с нормальными пластидами, т.е. с фенотипом материнского растения.