Основи молекулярної генетики

Матеріальний носій спадковості. Для того, щоб здійснювалися описані вище процеси, хромосомна речовина повинна мати дві властивості – здатність до точного подвоєння та формування величезної різноманітності генів, які існують у природі.

У середині ХХ століття було доведено, що носієм генетичної інформації є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) – органічна сполука, яка разом з білком складає тіло хромосоми.

ДНК має ланцюжкову молекулярну будову, що забезпечує здатність до подвоєння та до утворення безлічі типів сполучень її елементарних одиниць – нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з трьох частин: азотистої основи, вуглеводного компоненту (дезоксирибози ) та залишку фосфорної кислоти .

У ланцюжку ДНК окремі нуклеотиди сполучені один з одним через фосфорну кислоту міцним хімічним зв'язком. Вуглеводний та фосфорний компоненти у всіх нуклеотидів однакові, але основ є чотири типи: аденін, цитозин, гуанін та тимін. Для запису генетичного коду їх позначають буквами А, Ц, Г і Т відповідно.

Молекула ДНК утворена не одним, а двома такими ланцюжками, які з’єднуються між собою слабкими водневими зв’язками через основи. Основи пари підходять один до одного, як ключ до замка. При цьому аденін завжди парується з тиміном, а гуанін з цитозином.

Завдяки такій комплементарній, або доповнювальній будові ця подвійна молекула здатна точно відтворювати себе, утворюючи ідентичні подвійні молекули.

Перед подвоєнням ДНК слабкі водневі зв’язки між основами рвуться і дві напівмолекули розходяться, як застібка-блискавка. Після цього на кожній з них добудовується нова комплементарна половинка, внаслідок чого утворюється дві нові молекули ДНК, абсолютно ідентичні початковій. Одна з них має стару «праву» сторону і нову «ліву», а інша, навпаки, – стару «ліву» та нову «праву».

Потрібно пам’ятати, що це лише модель і що в дійсності цей процес відбувається набагато складніше.

Оскільки основи в молекулі ДНК розташовані лінійно, одна за одною, число різних комбінацій їх взаємного розташування практично необмежене, хоча основ усього чотири. Наприклад, якщо один ген містить 500 основ, то число можливих способів їх розташування складе 4500. Така комбінативна властивість забезпечує існування великої кількості різноманітних генів.

ДНК знаходиться в хромосомах разом з білками (гістоновими та негістоновими) та невеликою кількістю РНК. У кожній хромосомі міститься лише одна молекула ДНК. Під час поділу клітини хромосоми значно укорочуються, потовщуються і стають видимими під мікроскопом. Це відбувається внаслідок багаторівневої спіралізації молекули ДНК.

Ген та його основна функція. Сучасній генетиці багато відомо про будову хромосом, про структуру та функції ДНК, але вона все ще неспроможна дати точне визначення гена. Найбільш розповсюджене сучасне уявлення стверджує, що ген – це невелика ділянка хромосоми, що виконує певну біохімічну функцію та здійснює специфічний вплив на структурні, фізіологічні та біохімічні властивості організму. Біохімічна функція гена полягає у тому, що він обумовлює синтез певного поліпептиду. Поліпептиди являють собою ланцюжки із амінокислот, кількість яких варіює від 6 до кількох десятків. Виявилося, що гени містять інформацію про послідовність амінокислот у молекулах поліпептидів. Із певної кількості відповідних поліпептидів за допомогою особливих ферментів синтетаз утворюється молекула того чи іншого білка. Крім того, окремі поліпептиди в організмі можуть виконувати функції ферментів, гормонів, біологічно активних речовин, антибіотиків тощо.

Генетичний код. Відомо, що до складу білка входить 20 різних амінокислот, а типів основ ДНК – всього 4. Яким же чином інформація про послідовність основ у молекулі ДНК перетворюється в послідовність амінокислот у молекулі білка? Виявилося, що цю умову найкраще задовольняє кодування однієї амінокислоти трьома основами. Функціональна генетична одиниця із трьох основ дістала назву триплету, або кодона. І справді, коли б одна амінокислота кодувалася двома основами, то це б дало змогу включити в молекулу білка всього тільки 16 різних амінокислот із 20. Залежність порядку розташування амінокислот у молекулах поліпептидів від порядку розташування триплетів основ у молекулі ДНК називається генетичним кодом.

Гени в хромосомах

Як відомо з хромосомної теорії спадковості, гени в хромосомах розташовуються лінійно. Місце в хромосомі, де знаходиться даний ген, називається локусом цього гена. Певний локус може займати одна з форм одного й того ж гена – домінантна, рецесивна або інша. Такі різні стани гена називаються алелями . Для більшості генів відомі лише два алелі – домінантний та рецесивний.

Алелі гена, розташовані в тотожних локусах гомологічних хромосом, можуть бути однаковими – домінантними (АА) або рецесивними (аа) Таке сполучення пари алелей одного гена називається гомозиготним. Якщо ген представлений двома різними алелями (Аа), то такий стан буде гетерозиготним.

Мутації

Генні мутації. Хоча реплікація ДНК під час мейозу або мітозу відбуваються з досить великою точністю, час від часу трапляються помилки, які приводять до зміни послідовності нуклеотидів у ланцюжку ДНК Таке явище називається мутацією гена. Мутація може бути спричинена заміною однієї пари основ на іншу, а також втратою нуклеотидів чи появою одного або кількох нових нуклеотидів. Більш суттєві наслідки будуть у випадку втрати або появи нуклеотидів. Тоді порядок прочитання триплетів неминуче зсовується на одну-дві основи вправо або вліво, внаслідок чого генетичний код зчитується неправильно. Якщо випали чи добавились одночасно три основи, то зміни торкнуться лише однієї амінокислоти, а решта ланцюжка залишиться нормальною..

Генні мутації, що виникають у гаметах, справляють на організм різноманітний вплив. Більшість із них є летальними, оскільки викликають дуже серйозні порушення розвитку. Відомо, наприклад, що у людини біля 20% вагітностей закінчуються природним викиднем протягом 12 тижнів з моменту зачаття, і близько половини цих випадків спричинені генними мутаціями..

Переважна більшість генних мутацій рецесивна по відношенню до "нормального" алеля. Майже всі вони шкідливі для організму, бо викликають функціональні та структурні порушення, що призводить до захворювання, яке може закінчитися смертю. Рецесивна мутація проявиться лише тоді, коли в геномі організму два мутантних алеля гена складуть гомологічну пару. Інколи виникають і домінантні мутантні алелі, які проявляються відразу. Домінантні мутації теж можуть бути шкідливими.

Мутації, що відбуваються в соматичних клітинах, передаються лише тим клітинам, які утворюються з клітини-мутанта шляхом мітозу. Вони можуть проявитися лише в тому організмові, де вони виникли, і потомству не передаються.

Хромосомні аберації. Під час мейозу в процесі кон’югації гомологічних хромосом може трапитися порушення нормальної рекомбінації, внаслідок чого з’являються гамети з пошкодженими хромосомами. Такі пошкодження називаються абераціями. Відома ціла низка хромосомних аберацій – інверсії, делеції, дуплікації, транслокації та інші. Інверсією називається обертання окремої ділянки хромосоми на 180⁰. Втрата певної ділянки хромосоми – це делеція , а подвоєння – дуплікація . Інколи має місце обмін ділянками між негомологічними хромосомами. Така хромосомна аберація дістала назву транслокації .

Окрім перебудов у межах окремих хромосом, трапляються випадки нерозходження окремих хромосом під час мейозу. Це призводить до того, що в якійсь гаметі може не вистачати окремої хромосоми або бути зайва. Більшість таких порушень веде до загибелі плоду ще на ранніх стадіях розвитку. Проте інколи при цьому народжуються хоча і життєздатні особини, але з тяжкими порушеннями фізичного та психічного розвитку.