Генетика - наука о наследственности

Главная > Эволюция природы > Эволюция жизни > Генетика
ДНК - кристалл жизни

Генетический программист разбирает фрагмент генной последовательности и видит комментарий: /* A eti geny nado by ubrat nahren. Archangel Gavriil */

Разделы страницы о генетике, генетических законах и генной инженерии:

  • Порталы о генетике, биогенезе и эволюционной теории
  • Законы наследственности
  • Генетический механизм (основы)
  • Эволюция генетического механизма (проблемы, гипотезы, открытия)
  • Хромосомы
  • Статьи по генетике и роли генов в эволюции
  • Общий земной генофонд
  • Молекулярная филогенетика
  • Синтетическая биология
  • Новости генетики (стволовые клетки и другое)

Также смотрите страницы:

При долгом изучении генетического кода я обнаружил, что он как бы "замер" в своей неоконченной эволюции - видно, каким он был, и в каком направлении изменяется. При "потолочном" подсчете времени его предыдущего развития получилась цифра, значительно превосходящая "время жизни Вселенной" - т.е., он возник задолго до "Большого взрыва". Не исключено, что сам Большой взрыв имеет биогенное, или даже, искусственное происхождение. Вселенная схлопывается, взрывается, пульсирует - а жизнь развивается своим чередом.


Порталы о генетике, биогенезе и эволюционной теории

Законы наследственности

Также смотрите раздел по молекулярной генеалогии (митохондриальных и Y-хромосомных гаплогруппах) на странице о человеческих популяциях.

Аллели, рецессивные и доминантные признаки

Законы Менделя

Генетический механизм (основы)

Сведения об аминокислотах, нуклеиновых кислотах и нуклеотидах смотрите на странице биохимии.

Генетический код

Генетический код удобно представить в виде следующей таблицы:

1-е осн. Второе основание 3-е осн.
Гуанин Урацил Аденин Цитозин
Ц Арг
NH2  
/      
R-(CH2)3-NH-C   
\      
NH  
Лей
CH3  
/      
R-CH2-CH
\      
CH3  
Гис R-CH2-C=CH-N
\      || 
NH-CH
Про
  R-CH2
  | |
H2C-CH2
У
Арг Лей Гис Про Ц
Арг Лей Глн R-(CH2)2-CONH2 Про А
Арг Лей Глн Про Г
Г Гли R-H Вал
    CH3
    /
R-CH
    \
    CH3
Асп R-CH2-COOH Ала R-CH3 У
Гли Вал Асп Ала Ц
Гли Вал Глу R-(CH2)2-COOH Ала А
Гли start контрольный Глу Ала Г
А Сер 2 R-CH2-OH Изо
    CH3
    /
R-CH
    \
    CH2-CH3
Асн R-CH2-CONH2 Тре
OH
|
R-CH-CH3
У
Сер 2 Изо Асн Тре Ц
Арг 2
NH2
R-(CH2)3-NH-C<     
NH
Изо Лиз R-(CH2)4-NH2 Тре А
Арг 2 Мет R-(CH2)2-S-CH3 Лиз Тре Г
У Цис R-CH2-SH Фен (был Лей?) R-CH2-B Тир R-CH2-B-OH Сер R-CH2-OH У
Цис Фен (был Лей?) Тир Сер Ц
stop контрольный Лей (был Фен?) R-CH2-B/2 stop контрольный Сер А
Три
NH  
R-CH2-C2H < |
B   
Лей (был Фен?) stop Сер Г

Примечания и обозначения:

  1. B - бензольное кольцо; B/2 - полукольцо ("разорванное", из 3 звеньев).
  2. R - "радикал" (NH2-CH-COOH).
  3. обозначения аминокислот (* - незаменимые для человека, ** - также для ребенка) 1) Ала - аланин; 2) Арг - аргинин**; 3) Асн - аспарагиновая кислота; 4) Асп - аспарагин; 5) Вал - валин*; 6) Гис - гистидин**; 7) Гли - глицин; 8) Глн - глутаминовая кислота; 9) Глу - глутамин; 10) Изо - изолейцин*; 11) Лей - лейцин*; 12) Лиз - лизин*; 13) Мет - метионин*; 14) Про - пролин; 15) Сер - серонин; 16) Тир - тирозин; 17) Тре - треони́н*; 18) Три - триптофан*; 19) Фен - фенилаланин*; 20) Цис - цистеин.

Следы эволюции генетического кода

© И.К.Гаршин, 1983-2016

Что можно увидеть и предположить при исследовании генетической кодировки:

  1. Лейцин и изолейцин произошли от валина (добавился метан в середину и конец) - и находятся рядом с ним в одной колонке.
  2. Фенилаланин возник из лейцина (доращиванием полукольца в кольцо) - и находится рядом с ним в одной колонке.
  3. Цистеин возник из серонина (заменой кислорода на серу) - и находится с ним в одной колонке и строке.
  4. Похоже, что глутамин возник из аспарагина (добавлением метана внутрь) - и оба находятся в одной клетке.
  5. Аналогично и глутаминовая кислота возникла из аспарагиновой - и находится с ним в одной колонке.
  6. Самые простые аминокислоты (глицин R-H, аланин R-CH3, серонин R-CH2-OH, цистеин R-CH2-SH) в этой схеме находятся в углах квадрата. Кроме цистеина, остальные занимают все 4 подстроки в 1-м основании.
  7. В строках первых оснований Асп и Асн занимают по 2 верхние подстроки, Глу и Глн - по 2 нижние
  8. В строке цитозина и столбце аденина почти у всех аминокислот есть кольца или полукольца. Исключения составляют Глн R-(CH2)2-CONH2 и Мет R-(CH2)2-SNH3, которые между прочим, имеют схожую структуру.
  9. Старты и стопы лежат только в нижних подстроках.

Какие вопросы возникают при анализе аминокодировки:

  1. У аргинина и так целая клетка (4 3-буквенных кода) - зачем ей еще полклетки? Тот же вопрос по лейцину и серонину.

Ряд аминокислот (метионин, триптофан) имеют только по одному коду и, очевидно, стали кодироваться позднее. С учетом этого и предыдущих замечаний, сначала кодируемых аминокислот было меньше (также без фенилаланина, цистеина, глутамина и глутаминовой кислоты) - 20 - 6 = 14. Кстати, указанные отсутствующие аминокислоты и по структуре сложнее. Изначально, вероятно, код был 2-буквенной, а первичных кислот могло быть - 4 x 4 = 16. Можно предположить следующую схему их кодирования (* - аминокислоты, незаменимые для человека, ** - также для ребенка):

======================================================
|    \    |   Гуанин   | Урацил |  Аденин  | Цитозин |
======================================================
| Цитозин |    Арг**   |  Лей*  |   Гис**  |   Про   |
------------------------------------------------------
| Гуанин  |     Гли    |  Вал*  | Асп/Глу? |   Ала   |
------------------------------------------------------
| Аденин  | Сер/Арг 2? |  Изо*  |    Лиз*  |   Тре*  | 
------------------------------------------------------
| Урацил  |     Цис    |  Лей 2 |    Тир   |   Сер   |
======================================================

Возможно, в клетке "Сер/Арг" располагался аспарагин (как более похожий на серонин), и тогда в клетке "Асп/Глу" находился только глутамин. Место Лей-2 мог всё-таки занимать фенилаланин - тогда среди древнейших (первичных, двузнаковых) аминокислот была одна с бензольным кольцом (интересно, что это даёт?). А, может быть, место для Лей-2, на самом деле было резервным или отдано командным кодам.

Незаменимыми для взрослого здорового человека являются 8 аминокислот: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треони́н, триптофан и фенилалани́н. Для детей незаменимыми также являются аргинин и гистидин. В таблице представлены почти все они, кроме метионина и фенилалани́на - код последнего, возможно, соответствовал ячейке с Лей 2.

Интересная задача: исследовав функции названных поздних (вторичных, трёхзнаковых) аминокислот, можно определить, каких процессов не было в организмах, имеющих этот 2-буквенный генетический механизм. Поскольку на Земле не обнаружено их ни живыми ни ископаемыми, можно предположить, что сначала жизнь развивалась вне Земли.

Кстати, у 2-буквеннокодируемых организмов и ДНК (или, скорее вмего, РНК) должна быть минимум на 1/3 короче, и сами они меньше. Возможно, эти протоорганизмы были размером с нанобактерий, составляющих, между прочим, больщую часть земной биомассы (как "тёмная материя" имеет большую массу, чем обычная). Более того, вполне вероятно, что сами нанобактерии являются "двухбуквенными системами". Ведь до сих пор из них не извлечено ДНК, которое "определяется" лишь по косвенным признакам. Значит и генетический механизм нанобактерий неизвестен. А, т.к. подобные органические включения (сферы и цепочки) найдены в "марсианских метеоритах", то, не исключено, жизнь возникла (или снаала существовала) до Земли на Марсе.

Гипотеза Вонга о коэволюции генкода и аминокислот

Расммотрим теперь наши дилетантские выводы с коэволюционной позиции (источник: http://scorcher.ru/theory_publisher/show_art.php?id=216). В 1975 г. Вонг предположил, что главным фактором совместной эволюции генетического кода и аминокислот являлись их биосинтетические свойства [Wong J.T.F. 1975, 1981]. По его мнению, современные ферментативные пути биосинтеза аминокислот должны в значительной степени быть сходны с путями синтеза, возможно в том числе и абиогенного на стадии формирования кодируемого пептидного синтеза. Такая сложная система, как ГК не могла возникнуть сразу полностью. Первоначально, вероятно, в кодируемый синтез были вовлечены лишь несколько аминокислот.

Основываясь на современных знаниях о биосинтезе аминокислот [Cohen G.N. 1968; Rodwell V.W. 1969] Вонг предложил следующие пары, связанные отношением «предшественник-продукт»:

  1. Asp -> Asn
  2. Glu -> Gln
  3. Ser -> Trp
  4. Thr -> Ile
  5. Aln -> His
  6. Asp -> Thr
  7. Glu -> Pro
  8. Ser -> Cys
  9. Thr -> Met
  10. Val -> Leu
  11. Asp -> Lys
  12. Glu -> Arg
  13. Phe -> Tyr

Лизин может быть синтезирован или из аспарагиновой кислоты через диаминопимелатный путь и из глутаминовой кислоты через альфа-аминодипатный путь. Первый путь встречается как в прокариотах, так и в эукариотах и может рассматриваться как более древний. Биосинтез метионина из аспартата может происходить в современных организмах более эффективно, однако из треонина метионин образуется за меньшее число стадий и поэтому может рассматриваться как более примитивный. Хотя серонин и цистеин могут принимать участие в биосинтезе метионина из треонина, они не являются прямыми предшественниками его. серонин не является единственным возможным источником одноуглеродной группы метионина. Цистеин не является единственным возможным источником серы. Альфа-трансаминирование из-за своей относительной неспецифичности не может рассматриваться в анализе направлений биосинтетических путей. Глицин, аспартат и аланин являются взаимопревращаемыми через цикл трикарбоновых кислот; аланин, серонин и глицин – через метаболизм пирувата, глицерата и глиоксилата (Greenberg 1969).

Вонг выделил также два минорных центра – фенилаланиновый, давший начало тирозину, и валиновый, давший начало лейцину. Первоначально существовало только небольшое множество пребиотически синтезируемых аминокислот таких, как глицин, аланин и серонин, кодирование которых обеспечивалось исключительно вырожденным ГК. Существенно, что эти аминокислоты (за исключением фенилаланина) обнаруживаются в опытах по абиогенному синтезу, причем, как правило, в наибольших по сравнению с другими аминокислотами относительных концентрациях (в некоторых опытах правда лейцин иногда может превосходить по концентрации аспартат). Аргументом в пользу существования этих первичных центров метаболизма является взаимопревращаемость всех 5 аминокислот главного метаболического центра и их вовлеченность в углеводный и липидный метаболизм.

Существенно также, что аспартат, глутамат и глутамин сыграли важную роль в эволюционном формировании путей биосинтеза пуринов и пиримидинов (ключевых компонентов для синтеза РНК), что подчёркивает их важность уже на начальном этапе формирования ГК. Важность глутамата и аланина как формирующих центральное ядро для биосинтеза других аминокислот подчеркивается их повсеместным участием как доноров аминной группы в реакция трансаминирования, важной по-видимому при синтезе каждой аминокислоты, включая все аминокислоты минорных центров.

Причем, Вонг показал, что в большинстве случаев пары аминокислот, связанных отношением «предшественник-продукт», образуют смежные серии. Хотя, существуют и исключения. Несмежными являются серии для глутамата-пролина, глутамата-аргинина, аспартата-треонина и аспартата-лизина. Эти несоответствия Вонг объяснил следующим дополнительным предположением: Аминокислоты аспарагин и глутамин были включены в ГК позднее, чем большинство других аминокислот. До включения этих аминокислот их кодоны имели другой смысл. CAA и CAG кодировали глутамат; AAU и AAC были частью аспарагиновых кодонов [Wong J.T. 1975]. Из этого предположения следует, что серии для всех аминокислот связанных биосинтетически первоначально были смежными. И, что интересно, аминокислоты, связанные отношением “предшественник-продукт” разделяют смежные семейства, чему Вонг тоже нашел объяснение.

Основные сведения о генетическом коде

Новые открытия в генетическом коде

Механизм репликации с помощью нуклеиновых кислот

Механизм синтеза белков

Эволюция генетического механизма (проблемы, гипотезы, открытия)

Гипотеза мира РНК

Вращающаяся спираль ДНК

Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь.

В  начале 1980-х годов в лаборатории Т. Чека и С. Олтмана [Альтмана] в США была открыта каталитическая способность РНК. По аналогии с ферментами (англ. enzyme) РНК-катализаторы были названы рибозимами, за их открытие Томасу Чеку в 1989 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Более того, оказалось, что активный центр рибосом содержит большое количество рРНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться.

Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя метаболические реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из поколения в поколение каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся, в свою очередь, еще более эффективными катализаторами, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации — ДНК. РНК сохранилось между ними как посредник.

Как мог возникнуть РНК-мир

На недавно сформировавшейся планете взаимодействовали между собой вещества, поступающие как из космоса, так и из её недр. Эти химические реакции конкурировали между собой за субстраты («пищу» для реакций). В итоге побеждали самые быстрые из них, словно в подтверждение идеи философа Карла Поппера, естественный отбор существовал уже на стадии химических процессов. Поэтому для реакций важны были катализаторы, а лидировали среди реакций те, что могли катализироваться собственными продуктами.

Следующей ступенькой вполне могли стать автокаталитические циклы, при которых синтезируются не только катализаторы, но и возобновляются субстраты [!?], то есть исходные вещества. Примером такой реакции может быть реакция Бутлерова, при которой из формальдегида образуются сахара, которые, в свою очередь, выступают катализаторами этой реакции. Автокаталитические циклы, по мнению авторов исследования — это уже почти жизнь.

Но какие из необходимых для органической жизни молекул появились первыми? Если, как принято считать, первыми появились белки, то каким образом сохранялась наследственная информация? Если же ДНК — то как осуществлялись все прочие работы в клетке, которые могут делать только белки?

Появлению новой гипотезы "Мира РНК" послужили два открытия:

  1. То, что у многих вирусов наследственная информация хранится в молекулах не ДНК, а РНК,
  2. а также открытие в 1980-х годах Томасом Кечем (Thomas R. Cech) и Сидни Альтманом (Sidney Altman) рибозим — специфических молекул РНК. Рибозимы обладают каталитическими свойствами и могут осуществлять структурные функции в клетке (как белки), храня при этом наследственную информацию.

Именно это их сочетание привело к предположению о существовании РНК-мира — ранней стадии эволюции жизни. Эту эпоху РНК-мира специалисты помещают где-то между 4,3 и 3,8 млрд лет.

Предполагается, что РНК могли формировать молекулярные колонии на поверхностях минералов, и обмениваться участками друг с другом. Позже (при накоплении случайных мутаций) произошло «разделение труда»: за хранение информации стала отвечать ДНК, а также появились белки — более эффективные катализаторы. РНК стала между ними «посредником».

Хромосомы

Половые хромосомы

Ранее считалось, что появление Х-хромосомы и Y-хромосомы произошло около 300 млн лет назад, однако секвенирование генома утконоса (это животное обладает аж 10-тью половыми хромосомами, а не 2-мя, как человек) показало, что разделение двух половых хромосом случилось в промежутке от 160 млн до 210 млн лет назад (Nature, 2008).

Что интересно, после своего появления и эволюции Y-хромосома мужчин стала разрушаться: если изначально в ней содержалось более 1400 генов, то сейчас осталось: 1) 72 гена, кодирующих белки; 2) 137 «мусорных» генов, не способных кодировать белок 3) и 387 псевдогенов - нефункциональных аналогов генов, которые утратили способность кодировать белок. Если бы скорость потери генов была линейная, то мужчины потеряли бы свою Y-хромосому за 10 миллионов лет. Но более скрупулёзное изучение Y-хромосомы (по сравнению с половой хромосомой самцов шимпанзе) показали, что за последние 6–7 млн лет Y-хромосома не потеряла ни одного гена, а за последние 25 млн лет — только один ген. Значит, линейная интерполяция не годится.

Статьи по генетике и роли генов в эволюции

Общий земной генофонд

Расшифровка современных ДНК

Восстановление древних генов

Эволюция генофонда

Миллиарды лет эволюции не повлияли на функции почти половины от общего числа генов, которые выполняют одни и те же функции в организме человека и хлебопекарных дрожжей.

Молекулярная филогенетика

Молекулярная филогенетика - способ установления родственных связей между живыми организмами на основании изучения структуры полимерных макромолекул - ДНК, РНК и белков. Результатом молекулярно-филогенитического анализа является построение филогенетичсекого дерева живых организмов.

Синтетическая биология и гибридизация нескрещиваемых организмов

Синтетическая биология - практическое направление генетики, исследующая возможность создания генома с заданными свойствами. [А генная инженерия - только коррекция части геома?]

Новости генетики (стволовые клетки и другое)

Фундаментальные новости о генетическом механизме, его действии и развитии

Эксперименты с репликацией

Новости о взаимодействии генов

Новости о "молчащих", "прыгающих" и избыточных генах

Гены составляют всего 2% человеческого генома. Оставшиеся 98% приходятся на так называемую "некодирующую" ДНК и последовательности, функции которых пока не установлены. Некодирующая ДНК — это ДНК, которая не кодирует белки. Она состоит из подвижных элементов — "прыгающих" генов — которые способны копировать сами себя на других участках генома. Однако, у хищного растения пузырчатки всего 3% "мусорной" ДНК. По мнению исследователей, некоторые организмы от природы склонны к удалению лишней генетической информации, а некоторые — наоборот, к приумножению и копированию участков ДНК. И только дарвиновский естественный отбор покажет, какой метод более жизнеспособен.

Выяснилось, что не только "молчащие" гены небесполезны, но и избыточные коды в генетическом механизме - последние контролируют скорость репликации.

Новости о роли чужих внедрённых генах

Новости о негенетической наследственности

Новости о "терминаторах" в генах и "маркерах смерти"

О генетических механизмах, определяющих максимальное количество ударов сердца, делений клетки, половых актов и других факторах, определяющих нашу молодость и продолжительность жизни. И существует ли вообще "программа смерти"?


Главная   Науки о природе   Биология :

Биохимия | Генетика | Эволюционная теория | Биокризисы | Палеонтология | Биогенез | Вирусология | Микробиология | Ботаника | Микология | Зоология | Биопорталы | Биоцентры | Биокнига

На правах рекламы (см. условия):    


© «Сайт Игоря Гаршина», 2002, 2005. Пишите письма (Письмо И.Гаршину).
Страница обновлена 16.10.2017
Я.Метрика: просмотры, визиты и хиты сегодня