Биохимия и ДНК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский институт менеджмента и бизнеса

Реферат

по дисциплине: Психогенетика

Биохимия и ДНК

Выполнила:

Прохорова Ю.А.

курс 4 22 поток

г. Гороховец, 2009

Содержание

Введение

1. Биохимия: понятие и история развития

2. ДНК: понятие и биологические функции

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Психогенетика - область знаний, пограничная между психологией и генетикой, предметом исследования в которой является соотношение и взаимодействие наследственности и среды в формировании межиндивидуальной вариативности психических черт человека.

Хотя эта проблема существует с древности, возникновение психогенетики как науки принято связывать с двумя работами Ф. Гальтона: книгой "Наследственность таланта" (1869) и небольшой статьей "История близнецов как критерий относительной силы природы и воспитания" (1875). Они положили начало двум методам психогенетики: генеалогическому и близнецовому. Дальнейшая история этой науки тесно связана с успехами генетики количественных признаков, психологической диагностики, вариационной статистики. В последние годы психологические исследования все больше опираются на данные психологии развития, психофизиологии, молекулярной генетики. Появление молекулярной генетики стало возможным благодаря открытиям биохимии, поэтому необходимо рассмотрение основных понятий этих наук в контексте изучения психогенетики. Кроме того, в психогенетике используется системный подход, учитывающий знания из всех выше указанных областей.

1. Биохимия: понятие и история развития

Биохимия (биологическая, или физиологическая химия) -- наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности. Термин "биохимия" эпизодически употреблялся с середины XIX века, но в классическом смысле он был предложен и введен в научную среду в 1903 году немецким химиком Карлом Нейбергом.

Как самостоятельная наука биохимия сформировалась примерно 100 лет назад, однако биохимические процессы люди использовали ещё в глубокой древности.

XVIII век ознаменовался гениальными трудами М.В. Ломоносова. На основе открытого им и французским химиком А.Л. Лавуазье закона сохранения массы веществ и накопленных к концу столетия экспериментальных данных, была объяснена сущность дыхания и исключительная роль в этом процессе кислорода.

Изучение химии жизни уже в 1827 г. привело к принятому до сих пор разделению биологических молекул на белки, жиры и углеводы. Автором этой классификации был известный английский химик и врач Уильям Праут. В 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал мочевину: сначала - из циановой кислоты и аммиака (выпариванием раствора образующегося цианата аммония), а позже в этом же году - из углекислого газа и аммиака. Тем самым впервые было доказано, что химические вещества живого организма могут быть синтезированы искусственно, вне организма.

Последующими мощными толчками в этом направлении химии явились лабораторные синтезы липидов (в 1854 году -- П. Бертло, Франция) и углеводов из формальдегида (1861 -- А.М. Бутлеров, Россия). Бутлеровым была также разработана теория строения органических соединений (1861).

Новый толчок развитию биологической химии дали работы по изучению брожения, инициированные Луи Пастером. В 1897 г. Эдуард Бухнер доказал, что ферментация сахара может происходить в присутствии бесклеточного дрожжевого экстракта, и это процесс не столько биологический, сколько химический. На рубеже XIX и ХХ веков работал крупнейший немецкий биохимик Э. Фишер. Он сформулировал основные положения пептидной теории строения белков, установил структуру и свойства почти всех входящих в их состав аминокислот. Но лишь в 1926 г. Джеймсу Самнеру удалось получить первый чистый фермент, уреазу, и доказать, что фермент - это белок.

Биохимия стала первой биологической дисциплиной с развитым математическим аппаратом благодаря работам Холдейна, Михаэлиса, Ментен и других биохимиков, создавших ферментативную кинетику, основным законом которой является уравнение Михаэлиса-Ментен.

Открытие ферментов позволило начать грандиозную работу по полному описанию всех процессов метаболизма, не завершенную до сих пор. Одними из первых значительных находок в этой области стали открытия витаминов, гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

В 1928 г. Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности неопасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок, а нуклеиновая кислота. Сама по себе нуклеиновая кислота не опасна, она лишь переносит гены, определяющие патогенность и другие свойства микроорганизма. В 1953 году американский биолог Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик описали структуру ДНК -- ключ к пониманию принципов передачи наследственной информации. Это открытие означало рождение нового направления науки -- молекулярной биологии.

2. ДНК: понятие и биологические функции

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) -- один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках -- долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

С химической точки зрения, ДНК -- это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин -- только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии.

Биологические функции

ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов -- наследственность и изменчивость. В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении, таким образом, образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.

Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).

Последовательность нуклеотидов «кодирует» информацию о различных типах РНК: информационных, или матричных (иРНК), рибосомальных (рРНК) и транспортных (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на основе ДНК в процессе транскрипции. Роль их в биосинтезе белков (процессе трансляции) различна. Информационная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, рибосомальные РНК служат основой для рибосом (сложных нуклеопротеиновых комплексов, основная функция которых -- сборка белка из отдельных аминокислот на основе иРНК), транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков -- в активный центр рибосомы, «ползущей» по иРНК.

Структура генома. Большинство природных ДНК имеет двухцепочечную структуру, линейную (эукариоты, некоторые вирусы и отдельные роды бактерий) или кольцевую (прокариоты, хлоропласты и митохондрии). Линейную одноцепочечную ДНК содержат некоторые вирусы и бактериофаги. В клетках эукариот ДНК располагается, главным образом, в ядре в виде набора хромосом. Бактериальная (прокариоты) ДНК обычно представлена одной кольцевой молекулой ДНК, расположенной в неправильной формы образовании в цитоплазме, называемым нуклеоидом [40]. Генетическая информация генома состоит из генов. Ген -- единица передачи наследственной информации и участок ДНК, который влияет на определённую характеристику организма. Ген содержит открытую рамку считывания, которая транскрибируется, а также регуляторные последовательности, например, промотор и энхансер, которые контролируют экспрессию открытых рамок считывания.

У многих видов только малая часть общей последовательности генома кодирует белки. Так только около 1,5% генома человека состоит из кодирующих белок экзонов, а больше 50% ДНК человека состоит из некодирующих повторяющихся последовательностей ДНК]. Причины наличия такого большого количества некодирующей ДНК в эукариотических геномах и огромная разница в размерах геномов (С-значение) одна из неразрешённых научных загадок.

Последовательности генома, не кодирующие белок. В настоящее время накапливается всё больше данных, противоречащих идее о некодирующих последовательностях как «мусорной ДНК». Теломеры и центромеры содержат малое число генов, но они важны для функционирования и стабильности хромосом. Часто встречающаяся форма некодирующих последовательностей человека -- псевдогены, копии генов, инактивированные в результате мутаций. Эти последовательности нечто вроде молекулярных ископаемых, хотя иногда они могут служить исходным материалом для дупликации и последующей дивергенции генов. Другой источник разнообразия белков в организме - это использование интронов в качестве «линий разреза и склеивания» в альтернативном сплайсинге. Наконец, некодирующие белок последовательности могут кодировать вспомогательные клеточные РНК, например, мяРНКhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%9D%D0%9A - cite_note-46#cite_note-46. Недавнее исследование транскрипции генома человека показало, что 10% генома даёт начало полиаденилированным РНК, а исследование и генома мыши показало, что 62% его транскрибируется.

Транскрипция и трансляция. Генетическая информация, закодированная в ДНК, должна быть прочитана и в конечном итоге выражена в синтезе различных биополимеров, из которых состоят клетки. Последовательность оснований в цепочке ДНК напрямую определяет последовательность оснований в РНК, на которую она «переписывается» в процессе, называемом транскрипцией. В случае мРНК эта последовательность определяет аминокислоты белка. Соотношение между нуклеотидной последовательностью мРНК и аминокислотной последовательностью определяется правилами трансляции, которые называются генетическим кодом. Генетический код состоит из трёхбуквенных «слов», называемых кодонами, состоящих из трёх нуклеотидов (то есть ACT CAG TTT и т. п.). Во время транскрипции нуклеотиды гена копируются на синтезируемую РНК РНК-полимеразой. Эта копия в случае мРНК декодируется рибосомой, которая «читает» последовательность мРНК, осуществляя спаривание матричной РНК с транспортными РНК, которые присоединены к аминокислотам. Поскольку в трёхбуквенных комбинациях используются 4 основания, всего возможны 64 кодона (4і комбинации). Кодоны кодируют 20 стандартных аминокислот, каждой из которых соответствует в большинстве случаев более одного кодона. Один из трёх кодонов, которые располагаются в конце мРНК, не означает аминокислоту и определяет конец белка, это «стоп» или «нонсенс» кодоны -- TAA, TGA, TAG.

Репликация. Деление клеток необходимо для размножения одноклеточного и роста многоклеточного организма, но до деления клетка должна удвоить геном, чтобы дочерние клетки содержали ту же генетическую информацию, что и исходная клетка. Из нескольких теоретически возможных механизмов удвоения (репликации) ДНК реализуется полуконсервативный. Две цепочки разделяются и затем каждая недостающая комплементарная последовательность ДНК воспроизводится ферментом ДНК-полимеразой. Этот фермент строит полинуклеотидную цепь, находя правильное основание через комплементарное спаривание оснований и присоединяя его к растущей цепочке. ДНК-полимераза не может начинать новую цепь, а только лишь наращивать уже существующую, поэтому она нуждается в короткой цепочке нуклеотидов (праймере), синтезируемом праймазой. Так как ДНК-полимеразы могут строить цепочку только в направлении 5' --> 3', для копирования антипараллельных цепей используются разные механизмы.

Заключение

Достижения биохимии широко используются в медицине, сельском хозяйстве (животноводстве, растениеводстве), микробиологии, вирусологии, способствуют становлению новых отраслей науки, например, генетической инженерии и клеточной инженерии, а также промышленности, например, биотехнологии.

В современном обществе высокий уровень развития биохимии - необходимое условие научно-технического прогресса, неотъемлемый элемент общей культуры, материального благосостояния и здоровья человека.

2003 год явил собой важную веху в истории генетики: 50 лет назад, в апреле 1953 г., была опубликована работа, посвященная открытию спирали ДНК - полимера, на котором у всех земных живых существ записаны их признаки: внешний вид, физиология, поведение, иммунитет, плодовитость, рост и развитие, окраска кожного и волосяного покрова.

Сегодня мы знаем, что молекула ДНК является носителем кода, который управляет химизмом всего живого, а двойная спираль молекулы ДНК стала одним из самых известных научных символов.

Список использованной литературы

биохимия репликация нуклеотидный

1. Альбертс Б.; Брей Д.; Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки в 3-х томах. - М.: Мир, 1994.

2. Бохински Г. Современная биохимия. - М., Мир, 1988.

3. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х томах. - М., Мир, 1985.

4. Марри Р., Греннер Д. и др. Биохимия человека. В 2-х томах. - М., Мир, 1993.

5. Мецлер Д. Биохимия. В 3-х томах. М., Мир, 1980 г. Страйер. Биохимия. В 3-х томах. - М., Мир, 1985.

6. Психогенетика, Учебник/И.В. Равич-Щербо, Т.М. Марютина, Е.Л. Григоренко. Под ред. И.В. Равич-Щербо -- М.; Аспект Пресс, 2000.

7. Психогенетика: Учебное пособие. Александров А.А. -- СПб Питер, 2007.

8. Уотсон Д. Двойная спираль: Воспоминания об открытии структуры ДНК. - М.: Мир, 1969.

Размещено на Allbest.ru