Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Введение в генетику

Атомы углерода в алканах находятся в sp³-гибридном состоянии. Следовательно, связь С-С образуется за счёт перекрывания двух sp³ гибридных орбиталей вдоль их общей оси:

Характерная особенность связи - ее аксиальная (осевая) симметрия. При повороте вокруг оси симметрии С на любой угол, изображенный на рисунке фрагмент молекулы совпадает сам с собой. Следствие аксиальной симметрии связи - возможность вращения групп групп СН₃ в молекуле этана друг относительно друга. При этом не изменяется степень перекрывания двух sp³-гибридных орбиталий, то есть не нарушается связь С-С. Описанное вращение действительно происходит (за счет энергии теплового движения молекул).

Рассмотрим молекулу этана (2). Повернем в ней правую СН₃- группу относительно левой - на 60° (один из атомов водорода выделен):

Формы молекулы этана (2) и (4) представляют собой лишь две из бесконечно большого числа всевозможных форм, возникающих при вращении одной из СН₃-групп относительно другой. Эти формы, различающиеся взаимным расположением атомов в молекуле, называются конформациями.

Для изображения конформации удобны проекции, предложенные в 1955 г. М. Ньюменом. Посмотрим на молекулу этана вдоль оси C-C-связи со стороны одной из метильных групп. При этом задний атом углерода закроется "передним" ("передние" атомы Н выделены):

Мы получим еще одну проекцию (5) молекулы этана на плоскость. Изобразим в этой проекции удаленный от нас атом углерода окружностью, а близкий к нам атом углерода - точкой пересечения его связей. Тогда все связи С-Н мы можем нарисовать сплошными линиями, и проекция (5) преобразуется в (6):

Проекция (6) и является формулой Ньюмена молекулы этана в конформации (2).

При попытки изобразить формулу Ньюмена, соответствующую конформации (4), мы столкнемся с тем, что "передние" атомы водорода заслоняют "задние". Для того, чтобы в формуле Ньюмена были видны все атомы водорода, слегка повернем "задний" атом углерода относительно "переднего" так, что бы атомы водорода, связанные с ним, выглядывали из-за "передних":

В конформации, изображеннойй формулой (7), атомы водорода "передней" и "задней" CH₃-групп расположены ближе друг к другу, чем в конформации, соответствующей формуле (6). Поэтому отталкивание между электронами "передних" и "задних" связей С-Н в случае (7) сильнее, чем в случае (6). Принято говорить, что в конформации (7) имеется напряжение. Энергия отталкивания электронов двух связей С-Н зависит от величины двугранного угла :

Этот угол называется торсионным (torsion angle) - угол кручения (англ.), а напряжение, зависящее от величины угла - f - торсионным напряжением. Для молекулы этана зависимость энергии напряжения от величины торсионного угла выглядит следущим образом:

Максимумы на этой кривой соотвотствуют конформации (7), которая называется заслоненной. Минимум соответствует конформации (6), которая называется заторможенной.

Если в молекуле есть несколько -связей С-С с различным окружением, то формулы Ньюмена изображают относительно каждой такой связи. Так, формулы Ньюмена для молекулы бутана можно построить относительно связи С¹-С² и относительно связи С²-С³:

Проекции относительно связи С³-С⁴будут идентичны проекциям, построенным относительно связи С¹-С² , так как окружение этих связей одинаково. Формулы Ньюмена изображают обычно для таких конформаций молекул, у которых значения торсионного угла кратны 60°.

Проекция относительно связи С¹-С²:

заторможенная конформация	заслоненная конформация

Проекции относительно связи С²-С³:

Заслоненная, или цисоидная конформация	скошенная, или гош-конформация

частично заслоненная конформация	заторможенная, или трансоидная конформация

При рассмотрении молекулы бутана вдоль связи С²-С³, помимо упомянутых выше заслоненной и заторможенной конформаций, появились еще две конформации (9) и (10). Им также соответствуют минимумы и максимумы на кривой зависимости энергии напряжения от величины торсионного угла (угол отсчитывается от заслоненной конформации 8):

О частично заслоненной и гош-конформации имеет смысл говорить только тогда, когда у каждого из атомов углерода, образующих данную С-С-связь, по крайней мере один из заместителей отличен от двух других. Поэтому об этих конформациях не идет речь в случае молекулы этана, а также бутана при рассмотрении его вдоль связи С¹-С².

Разница в энергиях напряжения заслоненной (8) и заторможенной (II) конформаций бутана значительно превышает разницу в энергиях аналогичных конформаций молекулы этана (5 и 3 ккал/моль, соответственно). Такое различие вызвано тем, что CH₃-группы по размерам больше атомов водорода. Поэтому CH₃-группам молекулы бутана сложнее расположиться рядом (конформация 8), чем двум атомам водорода молекулы этана (конформация 7).

Поскольку молекула в разных конформациях обладает разной энергией, при данной температуре имеется различная заселенность конформаций. Заселенными оказываются конформации, отвечающие минимумам энергии. Такие конформации называются конформерами (в более строгом определении комформера говорится о множестве близких конформаций в окрестностях потенциального минимума). Конформации, отвечающие максимумам энергии, не заселены. Их следует рассматривать как переходные состояния в процессе превращения одного конформера в другой. Во многих случаях наиболее заселенной оказывается заторможенная конформация, в которой торсионное напряжение минимально, например:

заторможенная гош

Но в ряде случаев в силу дополнительных внутримолекулярных взаимодействий более заселенной может оказаться гош-конформация.

Введение в генетику

1. Предмет генетики.

2. История развития представлений о наследственности.

3. Краткий очерк истории генетики в России (самост. подготовка).

4. Структура и функция клеточного ядра.

Генетика изучает универсальные для всех живых существ законы наследственности и изменчивости.

Без знаний современной генетики невозможно понять сущность жизни и главные свойства живого (самообновление, самовоспроизведение, саморегуляция) независимо от уровня его организации.

Термин "генетика" был предложен в 1906 году англичанином Уильямом Бэтсоном (от лат."geneticos"- относящийся к происхождению или "geneo" – порождаю, или "genos" – род, рождение, происхождение).

Наследственность – это свойство живых систем сохранять из поколения в поколение сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях среды.

Изменчивость – это свойство живых систем приобретать новые признаки, отличающие их от родительских форм (строение и функции систем органов и особенности индивидуального развития).

Наследственность и изменчивость – два противоположенных свойства, тесно связанные с эволюционным процессом. Наследственность консервативна и обеспечивает сохранение видовых признаков. Благодаря изменчивости особи вида способны к адаптации и выживанию в изменяющихся условиях окружающей среды. Появившиеся благодаря изменчивости новые признаки, могут играть роль в эволюции только при сохранении их в последующих поколениях, т.е. при наследовании.

Наследование – это процесс передачи генетической информации через гаметы при половом размножении или через соматические клетки – при бесполом. Степень соотношения наследственности и изменчивости или мера сходства родителей и детей определяет понятие НАСЛЕДУЕМОСТИ. Чем больше доля наследственности, тем меньше проявление изменчивости и наоборот.

Совокупность наследственных факторов (генотип) организм получает от родителей в момент оплодотворения. Генетический аппарат зиготы содержит программу индивидуального развития. Генотип организма определяет диапазон его приспособительных возможностей и характер реагирования на любого внешнего агента. Следовательно, совокупность всех признаков организма (морфологических, физиологических, биохимических, иммунологических и др.) зависит от закодированной в генотипе информации и от степени ее реализации.

Нарушения генотипа или процесса реализации программы приводят к различного рода аномалиям. Это могут быть врожденные пороки развития разной степени тяжести, наследственные болезни или болезни с наследственной предрасположенностью.

Гены контролируют матричные реакции репликации ДНК и биосинтеза белков в клетке. Белки определяют все свойства клеток, в том числе и их способность взаимодействовать друг с другом непосредствен или опосредованно через внутреннюю среду организма. Взаимодействия клеток организма в конечном итоге и определяют его фенотип. Т. о. общее состояние организма, его морфофизиологические характеристики, здоровье и болезнь в каждый данный момент представляют собой результат взаимодействия его генотипа с условиями окружающей среды.

Современная генетика – это комплексная наука, которая представлена рядом отдельных дисциплин: общая генетика, генетика микроорганизмов, растений, животных и человека, молекулярная генетика, цитогенетика и др..

Общая генетика изучает организацию наследственного материала и общие закономерности наследственности и изменчивости, характерные для всех уровней организации живого.

Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости в популяциях люде, особенности наследовании признаков в норме и изменения их под действием условий окружающей среды.

Медицинская генетика (клиническая) разрабатывает методы диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней человек.

Молекулярная генетика изучает структуры нуклеиновых кислот, белков, ферментов, выявляет дефекты некоторых генов. Расшифровывает порядок нуклеотидов в геномах растений, микроорганизмов, животных и человека (Проект геном человека), развивает методы и решает проблемы генной инженерии.

Методы рекомбинантной ДНК позволяют анализировать фрагменты ДНК, находить и изолировать отдельные гены, устанавливать в них порядок нуклеотидов.

Цитогенетика изучает кариотипы растений, животных и человека в условиях патологии и нормы. Применение методов дифференциальной окраски хромосом позволяет точно их идентифицировать и выявлять геномные и хромосомные мутации.

Перспективным разделом медицинской генетики является иммуногенетика, которая изучает закономерности и генетическую обусловленность иммунных реакций.

Фармакогенетика изучает генетические основы метаболизма лекарственных препаратов в организме человека и механизмы наследственно обусловленного индивидуального реагирования на введение лекарств.

Популяционная генетика изучает частоту генов и генотипов в больших и малых популяциях растений, животных и человека и их изменения под действием элементарных эволюционных факторов: мутаций, дрейфа генов, миграций, отбора. Популяционная генетика изучает также полиморфизм наследственных признаков.

Знание генетики необходимы для понимания сущности жизни, механизмов индивидуального развития и его нарушений.

Структура клеточного ядра. Термин "ядро" – впервые был применен Брауном в 1833 г.

Эукариотическая клетка содержит: оболочку, цитоплазму с органоидами и оформленное ядро.

Оболочка интерфазного ядра состоит из 2-х элементарных мембран (наружной и внутренней), между которыми находится перинуклеарное пространство. В мембранах имеются поры. Через них идут обменные процессы между ядром и цитоплазмой, регуляция которых и является основной функцией ядерной оболочки. Наружная яд. мебрана может переходить стенки каналов ЭПР. На наружной ядерной мембране располагаются рибосомы.

Кариолимфа (ядерный сок) – однородная масса, заполняющая пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит белки, нуклеотиды, АТФ и различные виды РНК. Кариолимфа осуществляет связь ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки.

Хроматин представляет собой дезоксирибонуклеопротеин (ДНП). Это комплекс ДНК и гистоновых белков в отношении 1:1,3. Хроматин в световом микроскопе выявляется в виде тонких нитей, глыбок, гранул. В процессе митоза, спирализуясь, хроматин образует хорошо видимые интенсивно окрашивающиеся структуры – хромосомы.

В отличие от прокариотических кл. ДНК – содержащий материал хроматина эукариот может пребывать в двух альтернативных состояниях: деконденсированном в интерфазе и в максимально уплотненном во время митоза, в составе митотических хромосом (конденсированный хроматин – иногда наз. Гетерохроматином).

В составе ядерного хроматина лишь некоторые участки практически никогда не теряют особого конденсированного состояния (центромерные и теломерные уч-ки хр-м). Кроме них постоянно конденсированными могут быть некоторые уч-ки, входящие в состав плечей хромосом – вставочный или интеркалярный, гетерохроматин, кот. представлен в виде хромоцентров. Такие постоянно конденсированные уч-ки хр-м в интерфазных ядрах принято называть конститутивным (постоянным) гетерохроматином. Он генетически не активен, он не транскрибируется, реплицируется позже всего остального хроматина. Доля такого хроматина может быть неодинаковой у разных объектов (у млекопитающих на его долю прих. 10-15% всего генома, а у амфибий – до 60%). Функция связана со спариванием гомологов в мейозе, со структуризацией интерфазного ядра и некоторыми регуляторными функциями.

Вся остальная масса хроматина ядра может менять степень своей компактизации в зависимости от функциональной активности (эухроматин). Эухроматиновые уч-ки (неактивные), которые находятся в конденсированном состоянии стали называть факультативным гетерохроматином (Х хр-ма в организме чел-ка. В кл.мужчин Х-хр-ма деконденсирована, она активна, транскрибируется и морфологически не выявляется из-за своего рыхлого диффузного состояния, а в женском ор-ме 1 хр-ма неактивна. Но потомки ее попадая в кл. мужск. ор-ма снова будут активны.

В дифференцированных клетках всего лишь 10% генов находится в активном состоянии, остальные гены инактивированы и входят в состав конденсированного хроматина (факультативный гетерохроматин). Это обстоятельство объясняет, почему большая часть хроматина ядра структурирована.