Реферат: ДНК и РНК

/>/>ДНК И РНК

/>МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, детальное изучение живых клеток и ихсоставных частей (органелл), прослеживающее роль отдельных идентифицируемыхсоединений в функционировании этих структур. К сфере молекулярной биологииотносится исследование всех связанных с жизнью процессов, таких, как питание ивыделение, дыхание, секреция, рост, репродукция, старение и смерть. Важнейшеедостижение молекулярной биологии – расшифровка генетического кода и выяснениемеханизма использования клеткой информации, необходимой, например, для синтезаферментов. Молекулярнобиологические исследования способствуют и более полномупониманию других процессов жизнедеятельности – фотосинтеза, клеточного дыханияи мышечной активности.

Вмолекулярной биологии предпочитают работать с относительно простыми системами,

Областьюмолекулярной биологии, вызывающей большие споры и часто неприятие, являетсягенная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК, суть которой в том, что ворганизм растения или животного встраивают чужие гены, чтобы придать ему новыесвойства или же компенсировать какие-нибудь наследственные дефекты

БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Вплотьдо начала 20 в. биологи были убеждены в том, что все живое принципиальноотличается от неживого и в этом отличии есть какая-то тайна. В настоящее времяблагодаря значительно возросшему объему знаний в области химии и физики живойматерии стало ясно, что жизнь может быть объяснена в обычных понятиях химии ифизики. Ниже кратко излагаются основные концепции современной биологии,касающиеся самого феномена жизни.

/>Генетические механизмы и эволюция. Генетическая теория гласит, что признакиособей каждого поколения передаются следующему поколению через единицынаследственности, называемые генами. Крупные сложные молекулы ДНК состоят изчетырех типов субъединиц, называемых нуклеотидами, и имеют структуру двойнойспирали. Информация, содержащаяся в каждом гене, закодирована особым порядкомрасположения этих субъединиц. Поскольку каждый ген состоит примерно из 10 000нуклеотидов, выстроенных в определенной последовательности, существует великоемножество комбинаций нуклеотидов, а соответственно и множество различныхпоследовательностей, являющихся единицами генетической информации.

Определениепоследовательности нуклеотидов, образующих определенный ген, стало теперь нетолько возможным, но даже довольно обычным делом. Более того, ген можносинтезировать, а затем клонировать, получив таким образом миллионы копий. Есликакое-то заболевание человека вызвано мутацией гена, который в результате нефункционирует надлежащим образом, в клетку может быть введен нормальныйсинтезированный ген, и он будет выполнять необходимую функцию. Эта процедураназывается генной терапией. Грандиозный проект «Геном человека» призванвыяснить нуклеотидные последовательности, образующие все гены человеческогогенома.

Одноиз важнейших обобщений современной биологии, формулируемое иногда как правило«один ген – один фермент – одна метаболическая реакция», было выдвинуто в 1941американскими генетиками Дж.Бидлом и Э.Тейтемом. Согласно этой гипотезе, любаябиохимическая реакция – как в развивающемся, так и в зрелом организме –контролируется определенным ферментом, а фермент этот в свою очередьконтролируется одним геном. Информация, заложенная в каждом гене, передается отодного поколения другому специальным генетическим кодом, который определяетсялинейной последовательностью нуклеотидов. При образовании новых клеток каждыйген реплицируется, и в процессе деления каждая из дочерних клеток получаетточную копию всего кода. В каждом поколении клеток происходит транскрипциягенетического кода, что позволяет использовать наследственную информацию длярегуляции синтеза специфических ферментов и других белков, существующих вклетках.

В 1953американский биолог Дж.Уотсон и британский биохимик Ф.Крик сформулировалитеорию, объясняющую, каким образом структура молекулы ДНК обеспечивает основныесвойства генов – способность к репликации, к передаче информации и мутированию.На основании этой теории оказалось возможным сделать определенные предсказанияо генетической регуляции синтеза белка и подтвердить их экспериментально.

Развитиес середины 1970-х годов генной инженерии, т.е. технологии получениярекомбинантных ДНК, значительно изменило характер исследований, проводимых вобласти генетики, биологии развития и эволюции. Разработка методов клонированияДНК и проведения полимеразной цепной реакции позволяют получать в достаточномколичестве необходимый генетический материал, включая рекомбинантные(гибридные) ДНК. Эти методы используются для выяснения тонкой структурыгенетического аппарата и отношений между генами и их специфическими продуктами– полипептидами. Вводя в клетки рекомбинантную ДНК, удалось получить штаммыбактерий, способные синтезировать важные для медицины белки, напримерчеловеческий инсулин, гормон роста человека и многие другие соединения.

Значительныйпрогресс был достигнут в области изучения генетики человека. В частности, проведеныисследования таких наследственных болезней, как серповидноклеточная анемия имуковисцидоз. Изучение раковых клеток привело к открытию онкогенов,превращающих нормальные клетки в злокачественные. Исследования, проводимые навирусах, бактериях, дрожжах, плодовых мушках и мышах, позволили получитьобширную информацию, касающуюся молекулярных механизмов наследственности.Теперь гены одних организмов могут быть перенесены в клетки другихвысокоразвитых организмов, например мышей, которые после такой процедурыназываются трансгенными. Чтобы осуществить операцию по внедрению чужеродныхгенов в генетический аппарат млекопитающих, разработан целый ряд специальныхметодов.

Одноиз наиболее удивительных открытий в генетике – это обнаружение двух типоввходящих в состав генов полинуклеотидов: интронов и экзонов. Генетическаяинформация кодируется и передается только экзонами, функции же интронов доконца не выяснены.

РНК

В 1978стал преподавателем в университете Колорадо в Боулдере. Здесь Чек сделал своеглавное открытие. Был первым, кто сообщил о каталитической активности РНК. Этопроизошло в 1982. Годом позже С.Олтмен пришел к такому же заключению.

Сложившейсяцентральной догмой молекулярной биологии была взаимосвязь: ДНК  РНК фермент. Ранее считалось, что и ДНК, и РНК служат только носителямигенетической информации, в то время как белки в форме ферментов катализируютхимические процессы жизни. Чек и независимо от него C.Олтмен опровергли этудогму.

В1970–1980-х годах Чеки Олтмен изучали, каким образом генетический кодпереносится от ДНК к РНК. Им было известно, что часть генетической информациине является обязательной и от нее надо избавиться в молекуле РНК, прежде чем таначнет использоваться клеткой. В поисках решения этой задачи Олтмен и Чекоткрыли, что ферментативную функцию берет на себя не белок, а каталитическаяРНК.

Чекизучал молекулу РНК примитивного одноклеточного организма Tetrahymena.Он нашел, что ненужную часть можно удалить из средней части молекулы этой РНК,причем после удаления этого фрагмента оставшиеся отрезки соединяются вместе.Сенсационным было, что молекула РНК сама по себе катализирует данную реакцию.Удаленный фрагмент РНК сам себя модифицирует таким образом, что оказываетсяспособным функционировать, помимо прочего, в роли фермента, синтезирующего РНК.Каталитическая РНК может создавать новую РНК.

РаботыОлтмена и Чека показали, что каталитическая активность молекул РНК зависит отих трехмерной структуры, как это имеет место и в случае белковых ферментов.

Открытиекаталитической РНК, которую называют также рибозимом, важно как для науки, таки для производства.

КаталитическаяРНК, возможно, выполняет не только функцию разрезания и воссоединения РНК, но ииграет главную роль во многих других биологических процессах. Химическиепроцессы жизни часто требуют взаимодействия белок – РНК. Может быть, РНК, а небелковые ферменты играют в них ведущую роль.

КаталитическаяРНК – новое мощное средство генной инженерии. Прослеживаются очевидныеприменения каталитической РНК в биотехнологии и медицине. Например, растения,приготовленные методом генной инженерии, можно сделать устойчивыми квоздействию вирусов, если создать рибозим, который будет разрывать и разрушатьгенетический материал вируса. То же представляется совершенно очевидным и приконструировании лекарств против вирусных инфекций.

Наконец,возник новый подход к истолкованию проблемы химического механизма происхожденияжизни на Земле. Какая биомолекула появилась на Земле первой? Как моглавозникнуть жизнь, если молекулы ДНК генетического материала могутвоспроизводиться лишь с помощью белковых ферментов, в то время как сами белкимогут быть построены лишь с помощью генетической информации, заключенной в ДНК?

ОткрытиеОлтмена и Чека показало, что такой молекулоймогла быть и не белковаямолекула, и не молекула ДНК. Молекула РНК отвечает требуемым параметрам – онаодновременно может служить и генетическим материалом, и обладать свойствамифермента.

В 1989Чеку и С.Олтмену была присуждена Нобелевская премия «за открытие каталитическихсвойств РНК».

/>

Свойством воспроизведения себе подобных обладаютнуклеино­вые кислоты и даже отдельные фрагменты молекулы ДНК(дезоксирибонуклеиновая) — обнаружена в 1868 г. в клеточных яд­рах — являются веществом наследственности. В 1953 г. — Ф. Крик и Д. Уотсон построили модель ДНК,кото­рая состоит из двух полимерных цепо­чек, закрученных одна вокруг другой собразованием двойной спирали. Со­гласно этой модели каждая из цепочек молекулыДНК состоит из четырех типов мономеров — нуклеотидов. В свою очередь, в составнуклеотидов входят три компонента, со­единенные прочными химическими связями:

1) азотистое основание;

2) углевод (дезоксирибоза);

3) остаток фосфорной кислоты.

Азотистые основания — это пурины, имеющие двойноеуглеродно-азотное кольцо, и пиримидины. имеющие одно такое кольцо. Пури­ныпредставлены — аденином (А) и гуанином (Г), пиримидины — ти-мином (Т) ицитозином (Ц). За счет фосфорной кислоты нуклеотиды могут соединяться друг сдругом за счет химической связи, образуя нуклеиновые кислоты. Модель Крика — Уотсона подтвердилась. Ин­тересно, что спираль — самая распространенная формаво Вселенной, от атомов до галактик. Не случайно, что молекулы ДНК имеют формудвойной спирали. Эта форма выгодна в тесноте микромира. У некоторых растенийдлина ДНК достигает 40 м и заключается в кле­точном ядре размером ~ микрон.

Функция ДНК — информационная — порядок расположения еече­тырех нуклеотидов несет важную информацию, определяет порядок расположенияаминокислот в линейных молекулах белков, т.е. их первичную структуру. Наборбелков (ферментов, гормонов) опреде­ляет свойства клетки и организма. МолекулыДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколениях потомков, т.е.ДНК-носитель наследственной информации.

Ген — часть ДНК.

РНК — рибонуклеиновая кислота — похожа на ДНК и тожепо­поена из мономерных нуклеотидов 4 типов. Только в состав РНК вместотимидинового нуклеотида входит похожий на него — уридиловый (У) (урацил). Такжев состав РНК входит сахар — рибоза. Но Равное отличие: спираль — одинарная. РНКучаствуют в реализа­ции наследственной информации, хранящейся в ДНК, черезсинтез белка.

Так вот, можно ли считать молекулы ДНК носителямижизни? доказано, что самокопирование ДНК и реализация заключенной в нейинформации происходит только при наличии ферментов, источ­ников энергии — молекул АТФ. воды и других соединений. Очевидно, что отдельные молекулынуклеиновых кислот тоже не являются жи­выми.

АТФ — аденозинтрифосфорная кислота — универсальныйбиоло­гический аккумулятор энергии: световая энергия Солнца и энергия,заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ.