§ 28. Хранение наследственной информации

Определения и обозначения

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — молекула, в последовательности нуклеотидов которой записана наследственная информация. Нуклеотиды — её повторяющиеся звенья, а их порядок служит своеобразной записью биологических сведений. ДНК нужна клетке, чтобы хранить эти сведения и передавать их при делении.

Ген — участок молекулы ДНК, содержащий информацию о продукте, необходимом клетке или организму. Таким продуктом может быть, например, белок или функциональная молекула РНК. Понятие гена помогает выделить в длинной молекуле отдельные наследственные инструкции и связать их с признаками и работой организма.

Хромосома — структурно организованная молекула ДНК с связанными с ней белками, обеспечивающая хранение и передачу наследственной информации. Белки помогают упорядочить длинную молекулу и компактно разместить её в клетке. Хромосомы важны не только как форма хранения: при делении клетки их содержимое распределяется между дочерними клетками.

Геном — совокупность наследственной информации, содержащейся в генетическом материале организма. Это понятие относится ко всей системе наследственных сведений, а не к одному гену или одной молекуле. Представление о геноме позволяет оценивать наследственный материал организма как единое целое.

Как это устроено

Запись в ДНК основана на порядке нуклеотидов: разные последовательности несут разные сведения. Поэтому наследственная информация может занимать отдельные участки одной длинной молекулы, в том числе гены. ДНК также способна копироваться по принципу комплементарности: цепи служат основой для создания новых цепей. Так клетка перед делением воспроизводит запись, чтобы дочерние клетки получили наследственный материал.

В эукариотической клетке молекула ДНК слишком длинная, чтобы оставаться неупорядоченной нитью. Она связывается с белками, которые помогают организовать и компактно разместить её; такое взаимодействие образует хроматин. В обычном состоянии степень упаковки позволяет клетке использовать участки ДНК. Перед делением клетка уплотняет хроматин, благодаря чему наследственный материал становится более компактным и его легче распределить между дочерними клетками.

Связь между геном, молекулой ДНК и хромосомой удобно представлять как отношения части и целого. Ген занимает определённый участок ДНК, а одна длинная молекула ДНК вместе со связанными белками образует хромосому. Значит, хромосома не является одним геном: на ней находятся многие участки с наследственной информацией. Такая организация позволяет хранить множество генов в упорядоченном виде.

У прокариот, к которым относятся бактерии, нет оформленного ядра, поэтому их основная ДНК расположена непосредственно в цитоплазме. Она собрана в области, называемой нуклеоидом; это не отдельное ядро, окружённое оболочкой. У многих бактерий, кроме основной ДНК, имеются небольшие дополнительные молекулы — плазмиды. Они отличаются от основной молекулы размером и тем, что представляют собой отдельные дополнительные участки наследственного материала.

У эукариот основная часть наследственного материала находится в ядре, однако ядро — не единственное место с ДНК. Митохондрии имеют собственные молекулы ДНК, а у растений и водорослей своя ДНК есть также в пластидах. Эти органоиды содержат собственную наследственную информацию, поэтому её можно обнаружить вне ядра. При этом наличие ДНК в органоидах не означает, что там сосредоточена вся информация организма: основная её часть находится в ядерных хромосомах.

Хранение наследственной информации в клетках

Сравнивайте клетки по строкам: так легче увидеть, где расположена основная ДНК и чем организована её упаковка. Прокариоты не имеют оформленного ядра, а у эукариот основная ДНК заключена в ядре. Отдельно учитывайте дополнительные молекулы и ДНК органоидов: они не заменяют основную наследственную систему клетки.

Разбор задач

Задача 1. Расположите понятия в порядке «часть — целое»: ген, хромосома, молекула ДНК. Нужно установить, какое понятие обозначает участок, а какое — более крупную структуру. Для этого вспомним, что ген не существует отдельно от молекулы ДНК, а хромосома образована ДНК и связанными с ней белками.

1. Ген — участок, то есть часть молекулы ДНК.
2. Молекула ДНК вместе с белками входит в состав хромосомы.
3. Записываем понятия от меньшей части к большему целому.

Ответ: ген → молекула ДНК → хромосома. Стрелка показывает переход от части к целому, а не последовательность процессов. Важно не менять местами ген и хромосому: ген занимает лишь участок ДНК.

Задача 2. В клетке бактерии обнаружили основную кольцевую молекулу ДНК и несколько небольших дополнительных молекул. Определите, где находится основная ДНК и как называют дополнительные молекулы. Здесь нужно различить место расположения основной ДНК и название самостоятельных дополнительных молекул. Отсутствие у бактерии ядра не мешает её ДНК быть организованной.

1. Бактерия — прокариот, у неё нет оформленного ядра.
2. Основная ДНК расположена в цитоплазме в области нуклеоида.
3. Небольшие дополнительные молекулы ДНК называют плазмидами.

Ответ: основная ДНК находится в области нуклеоида, дополнительные молекулы — плазмиды. Нуклеоид не следует называть ядром: у него нет ядерной оболочки. Плазмиды — не название области, а название отдельных молекул ДНК.

Задача 3. В клетке растения выявили ДНК в ядре и в двух типах органоидов. Назовите эти органоиды и объясните, почему обнаружение в них ДНК не означает, что вся наследственная информация сосредоточена только там. Сначала нужно вспомнить, какие органоиды эукариот имеют собственные молекулы ДНК. Затем следует отличить наличие собственной ДНК от места хранения основной части наследственной информации.

1. Клетка растения — эукариотическая; основная часть её ДНК находится в ядре.
2. ДНК вне ядра есть в митохондриях и пластидах.
3. Собственная ДНК этих органоидов не отменяет наличия ядерного наследственного материала.

Ответ: это митохондрии и пластиды; основная часть наследственной информации находится в ядре, а органоиды содержат собственную ДНК. Не следует делать вывод, будто каждая найденная молекула содержит весь геном. Распределение ДНК по разным частям клетки не означает, что эти части равнозначны по объёму наследственной информации.

Типичные ошибки

Ошибка — считать ген и хромосому одним и тем же. Их путают, потому что оба понятия связаны с наследственной информацией, однако ген — участок ДНК, а хромосома включает длинную молекулу и белки. Проверьте себя вопросом: речь идёт об отдельной инструкции или об упакованной структуре, содержащей много участков? Если о структуре — это хромосома.

Ошибка — представлять, что у всех клеток ДНК находится в ядре. Такое предположение может возникнуть из примеров эукариотических клеток, но у прокариот оформленного ядра нет, а у эукариот ДНК есть и в некоторых органоидах. Проверяйте тип клетки и уточняйте, говорится ли об основной или дополнительной ДНК. Это поможет не смешивать нуклеоид, ядро и органоиды.

Ошибка — считать, что хромосомы всегда одинаково уплотнены. Так думают, если представляют хромосому как постоянную компактную форму, но степень упаковки меняется в зависимости от состояния клетки. В обычном состоянии ДНК организована в хроматин, а при делении сильнее уплотняется. Проверка проста: учитывайте, что упаковка связана с этапом жизни клетки.

Ошибка — отождествлять геном с одной молекулой ДНК. Смешение возникает из-за того, что именно ДНК служит носителем наследственной информации, но геномом называют всю эту информацию в генетическом материале организма. Чтобы проверить себя, спросите, обозначает ли термин отдельную молекулу или совокупность сведений. Геном — совокупность, а не название одной молекулы.

Связь с другими темами

Для понимания записи наследственной информации нужно знать строение нуклеотида и принцип комплементарности в ДНК: они объясняют и хранение, и копирование молекулы. Упаковка ДНК связана с делением клетки, потому что хромосомы должны распределиться между дочерними клетками. Позже представления о генах и геноме пригодятся при изучении синтеза белка, наследственности и изменчивости. Эти темы показывают, как наследственная запись используется клеткой и как её изменения связаны с признаками.

Что запомнить

• ДНК хранит наследственную информацию в последовательности нуклеотидов.
• Ген — участок ДНК, содержащий наследственную информацию.
• Хромосома — ДНК, организованная вместе с белками.
• В эукариотической клетке основная часть ДНК находится в ядре.
• У прокариот основная ДНК расположена в области нуклеоида.
• Митохондрии, а у растений и водорослей пластиды, содержат собственную ДНК.