Основные положения современной генетики

8.2. Что изучает генетика? Каковы основные положения генетической науки?

Учёных с незапамятных времён интересовали механизмы наследования информации живыми организмами. Этот интерес привёл к появлению в XIX-XX в.в. нового научного направления – генетики.

ГЕНЕТИКА – раздел биологии, изучающий природу наследственности и изменчивости. Основоположником современной генетики считается Г. Мендель (Чехия, XIX в.), который изучал закономерности наследования признаков на примере гороха. Мендель впервые показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде обособленных единиц.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА изучает физические механизмы наследования на молекулярном уровне.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ – программа свойств организма, заложенная в виде генетического кода. Она определяет:

· морфологическое строение;

· рост;

· развитие;

· обмен веществ (метаболизм);

· предрасположенность к заболеваниям;

· генетические пороки и отклонения организма.

В основе современных представлений генетики лежат следующие положения:

1. В передаче наследственной информации участвуют оба родителя, вносящие одинаковый вклад в генетическую конструкцию.

2. Каждая особь имеет по 2 гена, а гамета (переносчик информации от родительской особи к потомству) – только один ген.

3. Существуют гены доминантные (преобладающие) и рецессивные (ослабевающие).

4. Две пары генов, находящихся в разных хромосомах, наследуются независимо друг от друга.

5. Гаметы могут соединяться в случайных комбинациях.

8.2. Что такое ДНК? Как она устроена и какие функции выполняет?

В основе механизмов наследования генетической информации лежит понятие о ДНК и РНК. В любом живом организме данная информация записывается в цепи молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты – от названия углевода дезоксирибозы) в виде последовательности молекул – нуклеотидных остатков. Структуру ДНК установили Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. (Нобелевская премия по медицине, 1962 г.). ДНК представляет собой биополимер, мономером (структурной единицей) которого является НУКЛЕОТИД. Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, присоединённого к сахару дезоксирибозе.

Молекула ДНК имеет вид двойной закрученной спирали (Рис. 15). Ширина двойной спирали составляет 2,2…2,4 нм. К полимерному остову крепятся ЧЕТЫРЕ АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЯ, которые являются «буквами» генетического языка: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (Т) – Рис. 16. Первые два соединения относятся к пуриновым основаниям, остальные – к пиримидиновым основаниям. Из молекул ДНК состоят хромосомы, концы которых образованы особыми веществами – теломерами.

а) б)

Рис. 15. Общий вид (а) и схема строения (б) молекулы ДНК [91]

Рис. 16. Азотистые основания, входящие в состав ДНК. Слева направо: аденин, гуанин, тимин, цитозин

Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым – другой цепи возникают водородные связи. Образуются комплиментарные пары Г-Ц, А-Т (от лат. complementum – дополнение). Другие комбинации пар невозможны из-за пространственного строения этих четырёх азотистых оснований. Таким образом, достигается защита генетической информации от случайных изменений.

8.3. Каким образом происходит трансляциягенетической информации?

ГЕН – участок ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка. Генетическая информация реализуется в процессе синтеза белковых молекул с помощью трёх рибонуклеиновых кислот (РНК):

· Информационной (и-РНК), иногда называемой также матричной (м-РНК);

· Транспортной (т-РНК),

· Рибосомной (р-РНК).

Синтез белка идёт в специальных органеллах (структурных единицах) клетки – рибосомах. К ним из ядра подходит и-РНК. Структура цепи и-РНК считывается с ДНК по принципу комплиментарности (п. 8.2) с тем исключением, что тимин (Т) заменяется на урацил (У).

Молекула и-РНК – одноцепная, комплементарная одной нити ДНК. Она оказывается копией не всей молекулы ДНК, а лишь ее части, соответствующей одному или нескольких генам.

ГЕНЕТИЧЕСКИИЙ КОД – таблица соответствия нуклеотидов аминокислотам. Все белки состоят из 20 аминокислот (Табл. 3) кодируются с помощью 64 триплетных КОДОНОВ (комбинаций по 3 нуклеотида из набора У, Ц, А, Г – Табл. 4). Специальными кодонами кодируются начало (АУГ) и обрыв (УАА, УАГ, УГА) цепи белка. Последние три иначе называются стоп-кодонами.

Аминокислоты, из которых состоят белки, за редким исключением представлены левовращающими оптическими изомерами (п. 4.2). По своей химической природе они являются a-аминокарбоновыми кислотами и имеют общую формулу:

R – CH – COOH

|

NH₂

Восемь из этих кислот для человека являются незаменимыми, т.к. они неспособны синтезироваться в человеческом организме. Аминокислоты для удобства обозначаются трехбуквенными сокращениями. Образованный ПОЛИПЕПТИД (белковая цепь) записывается в виде последовательности аминокислот. Например, записи «Leu-Ile-Cys» или «Лей-Иле-Цис» соответствует структура: лейцин – изолейцин – цистеин.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: ТРАНСКРИПЦИИ (т.е. синтеза и-РНК на матрице ДНК) и ТРАНСЛЯЦИИ генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице и-РНК). Скорость синтеза достигает 50…500 нуклеотидов в секунду.

Генетическая информация имеет чрезвычайно большой объём. Например, ДНК млекопитающего состоит из 3×10⁹ пар нуклеотидов Точность репликации такова, что на такой информационный массив допускается не более 3 ошибок.

Таблица 3

Перечень аминокислот и их обозначений. Звёздочками обозначены незаменимые аминокислоты

№	Русское название / обозначение	Международное название / обозначение
1.	Аланин	Ала	Alanine	Ala
2.	Аргинин	Арг	Arginine	Arg
3.	Аспарагиновая кислота	Асп	Aspargic acid	Asp
4.	Аспарагин	Асн	Asparagine	Asn
5.	Валин *	Вал	Valine	Val
6.	Гистидин	Гис	Histidine	His
7.	Глицин	Гли	Glycine	Gly
8.	Глутаминовая кислота	Глу	Glutamic acid	Glu
9.	Глутамин	Глн	Glutamine	Gln
10.	Изолейцин *	Иле	Isoleucine	Ile
11.	Лейцин *	Лей	Leucine	Leu
12.	Лизин *	Лиз	Lysine	Lys
13.	Метионин *	Мет	Methionine	Met
14.	Пролин	Про	Proline	Pro
15.	Серин	Сер	Serine	Ser
16.	Тирозин	Тир	Tyrosine	Tyr
17.	Треонин *	Тре	Treonine	Thr
18.	Триптофан *	Три	Triptophane	Trp
19.	Фенилаланин *	Фен	Phenylalanine	Phe
20.	Цистеин	Цис	Cysteine	Cys

Таблица 4

Соответствие нуклеотидных кодонов аминокислотам

Когда идёт речь о том, что недавно расшифрован генетический код человека – это грубая терминологическая ошибка. Генетический код человека расшифрован тогда же, когда и всех остальных живых существ – в 60-х годах XX века. Недавно расшифрован ГЕНОМ человека, то есть полная последовательность нуклеотидов всех молекул ДНК.

Международная программа «Геном человека» посвящена проблеме составления карты человеческих генов. Число генов в ДНК человека 50…60 тысяч, что составляет только 3% общей длины ДНК.

8.4. Какими свойствами обладает генетический код?

ВЫРОЖДЕННОСТЬ (избыточность) генетического кода заключается в том, что большинство аминокислот кодируется не одним, а несколькими разными триплетами (Табл. 3).

ТРИПЛЕТНОСТЬ генетического кода означает, что каждой аминокислоте соответствует строго определенное сочетание из трёх нуклеотидов.

ОДНОЗНАЧНОСТЬ генетического кода выражается в том, что имеет единственный вариант расшифровки. Каждый кодон соответствует только одной аминокислоте.

УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ генетического кода состоит в том, что язык кодирования генетической информации един для всех организмов. Генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности – от вирусов до человека. Это свойство используется на практике в генной инженерии (п. 8.7).

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.

8.5. Что такое мутации? Каким образом они возникают?

К доказательствам существования генов относится их способность изменяться (мутировать). Замена гена приводит к появлению нового признака.

МУТАЦИИ – случайные, ненаправленные и необратимые изменения структуры ДНК, приводящие к изменению генотипа особи. Мутации закрепляются и далее передаются по наследству. ДНК может повреждаться путём воздействия различных мутагенов:

· Химических агентов, прежде всего – окисляющих и алкилирующих веществ;

· Электромагнитной радиации – УФ и рентгеновского излучения.

Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, УФ-излучение приводит к образованию димеров тимина: два находящихся по соседству азотистых основания соединяются ковалентной связью. Окислители (свободные радикалы или перекись водорода) вызывают изменения оснований и могут приводить к разрывам цепи ДНК. Многие молекулы мутагенов (например, бензапирен – сильнейший канцероген) способны прочно вклиниваться между двумя соседними парами оснований, нарушая тем самым работу ДНК (Рис. 16).

Поскольку материальные носители наследственности способны необратимо меняться, возник вопрос о том, можно ли «отремонтировать» повреждения генетических структур. Актуальное направление молекулярной генетики – подбор репарирующих (восстанавливающих) ферментов, которые способны исправлять повреждения генов.

8.6. На какие виды подразделяются мутации?

Классификация типов мутаций включает три вида:

1. ГЕННЫЕ МУТАЦИИ – изменения, затрагивающие лишь один ген. В этом случае работа гена либо полностью нарушается, и организм теряет одну функцию, либо эта функция изменяется.

2. ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ – изменение в структуре хромосом. Их частными случаями являются дупликация (мутации, при которых может произойти удвоение или утроение отдельных участков хромосомы) и инверсия (мутации при которых оторвавшийся фрагмент хромосомы может остаться в той же хромосоме, но в перевернутом виде). Все эти типы хромосомных перестроек также называют термином «хромосомные аберрации».

3. ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ – изменение числа хромосом.

Рис. 16. Внедрение (интеркаляция) молекулы бензапирена (обведена овалом) внутрь спирали ДНК [89]

Были раскрыты физические механизмы генных мутаций. Это позволило сделать вывод, что такие мутации могут протекать по трём возможным сценариям:

· Миссенс-мутации: изменяется смысл кодона. В этом случае против него встает неверная аминокислота, и свойства синтезируемого белка меняются.

· Нонсенс-мутации: формируется нонсенс-кодон, не кодирующий никаких аминокислот, и на нем обрывается чтение и-РНК в рибосомах.

· Мутации со сдвигом чтения. Эти мутации позволили доказать трехбуквенность генетического кода.

Сдвиги чтения возникают при выпадении одного или нескольких оснований из молекулы ДНК либо, наоборот – при внедрении лишних нуклеотидов. Сдвиг чтения чаще всего приводит к тому, в какой-то точке он заканчивается нонсенс-кодоном, и на нём чтение вообще обрывается.

8.7. Какие современные достижения науки являются наиболее спорными с точки зрения биологической этики?

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭТИКА (биоэтика) – область исследований, находящаяся на стыке гуманитарных наук и биологии, изучающая нравственно-этические аспекты исследований в области биологии и медицины. Биоэтика рассматривает достижения науки во взаимосвязи с общепринятыми представлениями морали – как светской, так и религиозной. В значительной мере природа этических противоречий в биологической науке кроется в многовековых христианских традициях европейской цивилизации.

Наиболее спорными с точки зрения биоэтики, наиболее часто обсуждаемыми в обществе вопросами являются:

1. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ – прикладное направление генетики, занимающееся искусственным созданием новых форм живых организмов с полезными для человека свойствами путем направленного изменения генетического кода. Генная инженерия позволяет:

· скрещивать неродственные виды;

· извне управлять процессом рекомбинации в организме;

· предугадать, какое получится потомство.

Генетически модифицированные организмы (ГМО) – биологические организмы (животные, растения, микроорганизмы), выведенные в лабораторных условиях путем направленного изменения генетического кода. Генетически модифицированные продукты (ГМП) – продукты, полученные с использованием достижений генной инженерии.

По мнению некоторых специалистов, если генная инженерия будет развиваться такими же быстрыми темпами, есть риск выпуска нестабильных видов организмов. Например, возможны передача заданных свойств от генетически модифицированных культурных растений сорнякам, влияние на биоразнообразие планеты, возникновение потенциальной опасности для здоровья человека.

2. КЛОНИРОВАНИЕ – метод получения нескольких генетически идентичных организмов (клонов) путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. В более узком смысле клонирование – копирование клеток, генов, антител и многоклеточных организмов в лабораторных условиях. В окончательном виде проблема клонирования животных была решена в Великобритании в 1997 г., когда родилась овца по кличке Долли – первое млекопитающее, полученное из ядра взрослой соматической клетки.

Как только были достигнуты успехи в клонировании млекопитающих, стало ясно: этой же процедуре можно подвергнуть и человека. Появились даже высказывания о новом «рецепте бессмертия». Но общественное мнение во всем мире сразу же заявило о неприемлемости таких опытов из этических соображений (подобно тому, как безнравственно проводить и другие биологические опыты на людях). Запрет на клонирование человека во многих странах закреплен на уровне закона.

Вплотную к проблеме клонирования примыкает и такой вопрос, как рождение детей с помощью ИСКУССТВЕННОГО (экстракорпорального) ОПЛОДОТВОРЕНИЯ (ЭКО). Данная технология позволяет с высокой вероятностью программировать генотип будущего ребёнка. Противники ЭКО, прежде всего религиозные деятели, ссылаются на то, что божественное таинство зарождения человеческой жизни цинично подменяется селекцией.

3. ЭВТАНАЗИЯ – прекращение искусственного поддержания жизненных функций безнадежно больного человека на основании явного согласия, просьбы больного или его родственников либо по медицинским показаниям. Общество решительно выступает против этой меры, приравнивая ее к убийству. Тем не менее, в наиболее либеральных станах, вопрос легализации процедуры эвтаназии пытаются выносить даже на всенародные референдумы.

4. АБОРТЫ. Проблема искусственного прерывания беременности до сих пор является предметом обсуждения в обществе. Во многих странах выполнение абортов запрещено законодательно.

5. ПЕРЕСАДКА ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ ЧЕЛОВЕКА. Данным вопросом занимается трансплантология – направление клинической медицины, связанное с исследованием и практическим внедрением технологий пересадки больным людям донорских органов и тканей.

В последние десятилетия в вопросе «стыковки» органов и тканей наблюдаются наиболее впечатляющие успехи. Более того, получены подтверждения того, что во многих случаях донорами органов и тканей могут выступать животные.

Донорами органов и тканей чаще всего выступают погибшие здоровые люди. Этическая спорность трансплантологии состоит, например, в возникновении «черного рынка» трансплантантов. Часто объектами похищения и последующей продажи «на органы» становятся дети. Еще одно явление, которое часто вызывает осуждение в обществе – страхование человеком своих органов и их «заочная» продажа или завещание при жизни.