Вдясно е най-голямата спирала на човешка ДНК, изградена от хора на плажа във Варна (България), включена в Книгата на рекордите на Гинес на 23 април 2016 г.

Дезоксирибонуклеинова киселина. Главна информация

ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е един вид план за живот, сложен код, който съдържа данни за наследствена информация. Тази сложна макромолекула е способна да съхранява и предава наследствена генетична информация от поколение на поколение. ДНК определя такива свойства на всеки жив организъм като наследственост и променливост. Закодираната в него информация задава цялата програма за развитие на всеки жив организъм. Генетично обусловените фактори предопределят целия ход на живота както на човек, така и на всеки друг организъм. Изкуствените или естествените въздействия на външната среда могат само леко да повлияят на общата проява на индивидуалните генетични черти или да повлияят на развитието на програмирани процеси.

Дезоксирибонуклеинова киселина(ДНК) е макромолекула (една от трите основни, другите две са РНК и протеини), която осигурява съхранение, предаване от поколение на поколение и изпълнение на генетичната програма за развитието и функционирането на живите организми. ДНК съдържа информация за структурата на различни видове РНК и протеини.

В еукариотните клетки (животни, растения и гъби) ДНК се намира в клетъчното ядро ​​като част от хромозомите, както и в някои клетъчни органели (митохондрии и пластиди). В клетките на прокариотните организми (бактерии и археи) кръгова или линейна ДНК молекула, така нареченият нуклеоид, е прикрепена отвътре към клетъчната мембрана. В тях и в нисшите еукариоти (например дрожди) също се откриват малки автономни, предимно кръгови ДНК молекули, наречени плазмиди.

От химическа гледна точка ДНК е дълга полимерна молекула, състояща се от повтарящи се блокове, наречени нуклеотиди. Всеки нуклеотид се състои от азотна основа, захар (дезоксирибоза) и фосфатна група. Връзките между нуклеотидите във веригата се образуват поради дезоксирибоза ( СЪС) и фосфат ( Е) групи (фосфодиестерни връзки).

Ориз. 2. Нуклеотидът се състои от азотна основа, захар (дезоксирибоза) и фосфатна група

В по-голямата част от случаите (с изключение на някои вируси, съдържащи едноверижна ДНК), макромолекулата на ДНК се състои от две вериги, ориентирани с азотни бази една към друга. Тази двуверижна молекула е усукана по спирала.

Има четири вида азотни бази, открити в ДНК (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотните основи на една от веригите са свързани с азотните основи на другата верига чрез водородни връзки съгласно принципа на комплементарност: аденинът се свързва само с тимин ( А-Т), гуанин - само с цитозин ( G-C). Именно тези двойки съставляват „стъпалата” на спираловидното „стълбище” на ДНК (вижте: Фиг. 2, 3 и 4).

Ориз. 2. Азотни основи

Последователността от нуклеотиди ви позволява да „кодирате“ информация за различни видове РНК, най-важните от които са информационна или шаблонна (mRNA), рибозомна (rRNA) и транспортна (tRNA). Всички тези типове РНК се синтезират върху ДНК матрица чрез копиране на ДНК последователност в РНК последователност, синтезирана по време на транскрипцията, и участват в биосинтезата на протеин (процесът на транслация). В допълнение към кодиращите последователности, клетъчната ДНК съдържа последователности, които изпълняват регулаторни и структурни функции.

Ориз. 3. ДНК репликация

Подреждането на основните комбинации от химични съединения на ДНК и количествените отношения между тези комбинации осигуряват кодирането на наследствената информация.

образование нова ДНК (репликация)

1. Процес на репликация: развиване на двойната спирала на ДНК - синтез на комплементарни вериги от ДНК полимераза - образуване на две ДНК молекули от една.
2. Двойната спирала се "разкопчава" на два клона, когато ензимите разкъсват връзката между базовите двойки химични съединения.
3. Всеки клон е елемент от нова ДНК. Новите базови двойки са свързани в същата последователност, както в родителския клон.

След завършване на дублирането се образуват две независими спирали, създадени от химически съединения на родителската ДНК и имащи един и същ генетичен код. По този начин ДНК може да предава информация от клетка на клетка.

По-подробна информация:

СТРУКТУРА НА НУКЛЕИНОВИТЕ КИСЕЛИНИ

Ориз. 4 . Азотни основи: аденин, гуанин, цитозин, тимин

Дезоксирибонуклеинова киселина(ДНК) се отнася до нуклеинови киселини. Нуклеинова киселинаса клас неправилни биополимери, чиито мономери са нуклеотиди.

НУКЛЕОТИДИсе състои от азотна основа, свързан с въглехидрат с пет въглерода (пентоза) - дезоксирибоза(в случай на ДНК) или рибоза(в случай на РНК), която се свързва с остатък от фосфорна киселина (H 2 PO 3 -).

Азотни основиИма два вида: пиримидинови бази - урацил (само в РНК), цитозин и тимин, пуринови бази - аденин и гуанин.

Ориз. 5. Структура на нуклеотидите (вляво), местоположението на нуклеотида в ДНК (отдолу) и видовете азотни бази (вдясно): пиримидин и пурин

Въглеродните атоми в молекулата на пентозата са номерирани от 1 до 5. Фосфатът се свързва с третия и петия въглероден атом. Ето как нуклеинотидите се комбинират във верига от нуклеинова киселина. Така можем да различим 3' и 5' краищата на ДНК веригата:

Ориз. 6. Изолиране на 3' и 5' краищата на ДНК веригата

Образуват се две вериги на ДНК двойна спирала. Тези вериги в спиралата са ориентирани в противоположни посоки. В различни вериги на ДНК азотните бази са свързани една с друга чрез водородни връзки. Аденинът винаги се свързва с тимин, а цитозинът винаги се свързва с гуанин. Нарича се правило за допълване.

Правило за допълване:

A-T G-C

Например, ако ни бъде дадена ДНК верига с последователността

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

тогава втората верига ще бъде комплементарна към нея и насочена в обратна посока - от 5' края към 3' края:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Ориз. 7. Посока на веригите на молекулата на ДНК и свързването на азотни основи с помощта на водородни връзки

ДНК РЕПЛИКАЦИЯ

репликация на ДНКе процесът на удвояване на ДНК молекула чрез шаблонен синтез. В повечето случаи на естествена репликация на ДНКбукварза синтеза на ДНК е кратък фрагмент (пресъздаден). Такъв рибонуклеотиден праймер се създава от ензима примаза (ДНК примаза при прокариоти, ДНК полимераза при еукариоти) и впоследствие се замества от дезоксирибонуклеотидна полимераза, която обикновено изпълнява възстановителни функции (коригиране на химически повреди и счупвания в ДНК молекулата).

Репликацията се осъществява по полуконсервативен механизъм. Това означава, че двойната спирала на ДНК се развива и върху всяка нейна верига се изгражда нова верига според принципа на комплементарността. Така дъщерната ДНК молекула съдържа една верига от родителската молекула и една новосинтезирана. Репликацията се извършва в посока от 3' към 5' края на майчината верига.

Ориз. 8. Репликация (удвояване) на ДНК молекула

ДНК синтез- това не е толкова сложен процес, колкото може да изглежда на пръв поглед. Ако се замислите, първо трябва да разберете какво е синтез. Това е процес на комбиниране на нещо в едно цяло. Образуването на нова ДНК молекула протича на няколко етапа:

1) ДНК топоизомеразата, разположена пред репликационната вилка, разрязва ДНК, за да улесни нейното размотаване и размотаване.
2) ДНК хеликазата, след топоизомеразата, влияе върху процеса на "разплитане" на спиралата на ДНК.
3) ДНК-свързващите протеини свързват ДНК нишките и също ги стабилизират, предотвратявайки залепването им една за друга.
4) ДНК полимераза δ(делта) , съгласувана със скоростта на движение на репликационната вилица, осъществява синтезаводещиверигидъщерно дружество ДНК в посока 5"→3" върху матрицатамайчина ДНК вериги в посока от своя 3" край до 5" край (скорост до 100 нуклеотидни двойки в секунда). Тези събития при това майчинаДНК веригите са ограничени.

Ориз. 9. Схематично представяне на процеса на репликация на ДНК: (1) изоставаща верига (изоставаща верига), (2) водеща верига (водеща верига), (3) ДНК полимераза α (Polα), (4) ДНК лигаза, (5) РНК -праймер, (6) Примаза, (7) Оказаки фрагмент, (8) ДНК полимераза δ (Polδ), (9) Хеликаза, (10) Едноверижни ДНК-свързващи протеини, (11) Топоизомераза.

Синтезът на изоставащата верига на дъщерна ДНК е описан по-долу (вж. Схемарепликационна вилка и функции на репликационни ензими)

За повече информация относно репликацията на ДНК вижте

5) Веднага след като другата верига на основната молекула бъде разплетена и стабилизирана, тя се прикрепя към неяДНК полимераза α(алфа)а в посока 5"→3" синтезира праймер (РНК праймер) - РНК последователност върху ДНК матрица с дължина от 10 до 200 нуклеотида. След това ензимътотстранени от ДНК веригата.

Вместо ДНК полимеразиα е прикрепен към 3" края на грундаДНК полимеразаε .

6) ДНК полимеразаε (епсилон) изглежда продължава да разширява грунда, но го вмъква като субстратдезоксирибонуклеотиди(в количество 150-200 нуклеотида). В резултат на това се образува една нишка от две части -РНК(т.е. грунд) и ДНК. ДНК полимераза εработи, докато не срещне предишния праймерфрагмент от Оказаки(синтезирано малко по-рано). След това този ензим се отстранява от веригата.

7) ДНК полимераза β(бета) стои вместо товаДНК полимераза ε,се движи в същата посока (5"→3") и премахва праймерните рибонуклеотиди, като едновременно с това вмъква дезоксирибонуклеотиди на тяхно място. Ензимът действа до пълното отстраняване на праймера, т.е. до дезоксирибонуклеотид (още по-рано синтезиранДНК полимераза ε). Ензимът не е в състояние да свърже резултата от своята работа с ДНК отпред, така че излиза от веригата.

В резултат на това фрагмент от дъщерна ДНК „лежи“ върху матрицата на майчината верига. Нарича сефрагмент от Оказаки.

8) ДНК лигаза омрежва две съседни фрагменти от Оказаки , т.е. 5" край на синтезирания сегментДНК полимераза ε,и вградена 3"-крайна веригаДНК полимеразаβ .

СТРУКТУРА НА РНК

Рибонуклеинова киселина(РНК) е една от трите основни макромолекули (другите две са ДНК и протеини), които се намират в клетките на всички живи организми.

Точно като ДНК, РНК се състои от дълга верига, в която всяка връзка се нарича нуклеотид. Всеки нуклеотид се състои от азотна основа, рибозна захар и фосфатна група. Въпреки това, за разлика от ДНК, РНК обикновено има една верига, а не две. Пентозата в РНК е рибоза, а не дезоксирибоза (рибозата има допълнителна хидроксилна група на втория въглехидратен атом). И накрая, ДНК се различава от РНК по състава на азотните бази: вместо тимин ( T) РНК съдържа урацил ( U) , който също е комплементарен на аденина.

Последователността на нуклеотидите позволява на РНК да кодира генетична информация. Всички клетъчни организми използват РНК (иРНК), за да програмират протеиновия синтез.

Клетъчната РНК се произвежда чрез процес, наречен транскрипция , тоест синтезът на РНК върху ДНК матрица, извършван от специални ензими - РНК полимерази.

След това информационните РНК (иРНК) участват в процес, наречен излъчване, тези. протеинов синтез върху иРНК матрица с участието на рибозоми. Други РНК претърпяват химически модификации след транскрипцията и след образуването на вторични и третични структури изпълняват функции в зависимост от вида на РНК.

Ориз. 10. Разликата между ДНК и РНК в азотната основа: вместо тимин (Т), РНК съдържа урацил (U), който също е комплементарен на аденина.

ПРЕПИС

Това е процесът на синтез на РНК върху ДНК шаблон. ДНК се развива на едно от местата. Една от веригите съдържа информация, която трябва да бъде копирана върху молекула на РНК - тази верига се нарича кодираща верига. Втората верига на ДНК, комплементарна на кодиращата, се нарича матрица. По време на транскрипцията се синтезира комплементарна РНК верига върху шаблонната верига в посока 3’-5’ (по протежение на ДНК веригата). Това създава РНК копие на кодиращата верига.

Ориз. 11. Схематично представяне на транскрипцията

Например, ако ни е дадена последователността на кодиращата верига

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

тогава, съгласно правилото за комплементарност, матричната верига ще носи последователността

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,

а синтезираната от него РНК е последователността

ИЗЛЪЧВАНЕ

Нека разгледаме механизма протеинов синтезвърху РНК матрицата, както и генетичния код и неговите свойства. Също така, за по-голяма яснота, на връзката по-долу препоръчваме да гледате кратко видео за процесите на транскрипция и транслация, протичащи в жива клетка:

Ориз. 12. Процес на синтез на протеин: ДНК кодира РНК, РНК кодира протеин

ГЕНЕТИЧЕН КОД

Генетичен код- метод за кодиране на аминокиселинната последователност на протеини с помощта на последователност от нуклеотиди. Всяка аминокиселина е кодирана от последователност от три нуклеотида - кодон или триплет.

Генетичен код, общ за повечето про- и еукариоти. Таблицата показва всичките 64 кодона и съответните аминокиселини. Основният ред е от 5" до 3" края на иРНК.

Таблица 1. Стандартен генетичен код

1-во основата ция	2-ра база								3-то основата ция
	U		° С		А		Ж
U	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	У Г У	(Cys/C)	U
	U U C		U C C		U A C		U G C		° С
	U U A	(Leu/L)	U C A		U A A	Стоп кодон**	U G A	Стоп кодон**	А
	U U G		U C G		U A G	Стоп кодон**	U G G	(Trp/W)	Ж
° С	C U U		C C U	(Pro/P)	C A U	(Негов/З)	C G U	(Arg/R)	U
	C U C		C C C		C A C		C G C		° С
	C U A		C C A		C A A	(Gln/Q)	C GA		А
	C U G		C C G		C A G		C G G		Ж
А	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	U
	A U C		A C C		A A C		A G C		° С
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	A G A		А
	A U G	(Met/M)	A C G		A A G		A G G		Ж
Ж	Г У У	(Val/V)	G C U	(Ала/А)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	U
	G U C		G C C		G A C		G G C		° С
	ГУ А		G C A		G A A	(Glu/E)	G G A		А
	Г У Г		G C G		G A G		G G G		Ж

Сред тройките има 4 специални последователности, които служат като „препинателни знаци“:

• *Триплет АВГУСТ, също кодиращ метионин, се нарича начален кодон. Синтезът на протеинова молекула започва с този кодон. По този начин, по време на протеиновия синтез, първата аминокиселина в последователността винаги ще бъде метионин.

• **Тризнаци UAA, UAGИ U.G.A.са наречени стоп кодонии не кодират нито една аминокиселина. При тези последователности протеиновият синтез спира.

Свойства на генетичния код

1. Тройка. Всяка аминокиселина е кодирана от последователност от три нуклеотида - триплет или кодон.

2. Приемственост. Между триплетите няма допълнителни нуклеотиди, информацията се чете непрекъснато.

3. Неприпокриване. Един нуклеотид не може да бъде включен в два триплета едновременно.

4. Еднозначност. Един кодон може да кодира само една аминокиселина.

5. Дегенерация. Една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко различни кодона.

6. Универсалност. Генетичният код е еднакъв за всички живи организми.

Пример. Дадена ни е последователността на кодиращата верига:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Матричната верига ще има следната последователност:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Сега ние „синтезираме“ информационна РНК от тази верига:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Протеиновият синтез протича в посока 5’ → 3’, следователно трябва да обърнем последователността, за да „прочетем” генетичния код:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Сега нека намерим началния кодон AUG:

5’- AU АВГУСТ CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Нека разделим последователността на тройки:

звучи така: информацията се прехвърля от ДНК към РНК (транскрипция), от РНК към протеин (транслация). ДНК може да се дублира и чрез репликация, възможен е и процесът на обратна транскрипция, когато ДНК се синтезира от РНК матрица, но този процес е характерен главно за вирусите.

Ориз. 13. Централна догма на молекулярната биология

ГЕНОМ: ГЕНИ и ХРОМОЗОМИ

(общи понятия)

Геном - съвкупността от всички гени на даден организъм; пълния му набор от хромозоми.

Терминът "геном" е предложен от G. Winkler през 1920 г., за да опише набор от гени, съдържащи се в хаплоидния набор от хромозоми на организми от един биологичен вид. Първоначалното значение на този термин показва, че понятието геном, за разлика от генотипа, е генетична характеристика на вида като цяло, а не на индивид. С развитието на молекулярната генетика значението на този термин се промени. Известно е, че ДНК, която е носител на генетична информация в повечето организми и следователно формира основата на генома, включва не само гени в съвременния смисъл на думата. По-голямата част от ДНК на еукариотните клетки е представена от некодиращи („излишни“) нуклеотидни последователности, които не съдържат информация за протеини и нуклеинови киселини. По този начин основната част от генома на всеки организъм е цялата ДНК на неговия хаплоиден набор от хромозоми.

Гените са участъци от ДНК молекули, които кодират полипептиди и РНК молекули

През последния век нашето разбиране за гените се промени значително. Преди това геномът беше област от хромозома, която кодира или определя една характеристика или фенотипен(видимо) свойство, като цвят на очите.

През 1940 г. Джордж Бийдъл и Едуард Тейтъм предлагат молекулярна дефиниция на гена. Учените обработиха гъбични спори Neurospora crassaРентгенови лъчи и други агенти, които причиняват промени в ДНК последователността ( мутации) и открива мутантни щамове на гъбата, които са загубили някои специфични ензими, което в някои случаи е довело до прекъсване на целия метаболитен път. Бидъл и Тейтем заключиха, че генът е част от генетичен материал, който определя или кодира един ензим. Така се появи хипотезата "един ген - един ензим". Тази концепция по-късно беше разширена, за да дефинира "един ген - един полипептид", тъй като много гени кодират протеини, които не са ензими, и полипептидът може да бъде субединица на сложен протеинов комплекс.

На фиг. Фигура 14 показва диаграма на това как триплетите от нуклеотиди в ДНК определят полипептид - аминокиселинната последователност на протеин чрез посредничеството на иРНК. Една от ДНК веригите играе ролята на матрица за синтеза на иРНК, чиито нуклеотидни триплети (кодони) са комплементарни на ДНК триплетите. При някои бактерии и много еукариоти кодиращите последователности се прекъсват от некодиращи области (наречени интрони).

Съвременно биохимично определяне на ген още по-конкретно. Гените са всички участъци от ДНК, които кодират първичната последователност от крайни продукти, които включват полипептиди или РНК, които имат структурна или каталитична функция.

Наред с гените, ДНК съдържа и други последователности, които изпълняват изключително регулаторна функция. Регулаторни последователностиможе да маркира началото или края на гените, да повлияе на транскрипцията или да посочи мястото на започване на репликация или рекомбинация. Някои гени могат да бъдат експресирани по различни начини, като една и съща ДНК област служи като шаблон за образуването на различни продукти.

Можем грубо да изчислим минимален размер на гена, кодиращ средния протеин. Всяка аминокиселина в полипептидна верига е кодирана от последователност от три нуклеотида; последователностите на тези триплети (кодони) съответстват на веригата от аминокиселини в полипептида, който е кодиран от този ген. Полипептидна верига от 350 аминокиселинни остатъка (средна дължина на веригата) съответства на последователност от 1050 bp. ( базови двойки). Въпреки това, много еукариотни гени и някои прокариотни гени са прекъснати от ДНК сегменти, които не носят протеинова информация, и следователно се оказват много по-дълги, отколкото показва едно просто изчисление.

Колко гена има на една хромозома?

Ориз. 15. Изглед на хромозоми в прокариотни (вляво) и еукариотни клетки. Хистоните са голям клас ядрени протеини, които изпълняват две основни функции: те участват в опаковането на ДНК вериги в ядрото и в епигенетичната регулация на ядрени процеси като транскрипция, репликация и възстановяване.

Както е известно, бактериалните клетки имат хромозома под формата на ДНК верига, подредена в компактна структура - нуклеоид. Прокариотна хромозома Ешерихия коли, чийто геном е напълно дешифриран, представлява кръгова ДНК молекула (всъщност това не е перфектен кръг, а по-скоро цикъл без начало или край), състояща се от 4 639 675 bp. Тази последователност съдържа приблизително 4300 протеинови гени и още 157 гена за стабилни РНК молекули. IN човешки геномприблизително 3,1 милиарда базови двойки, съответстващи на близо 29 000 гена, разположени на 24 различни хромозоми.

Прокариоти (бактерии).

бактерия E. coliима една двуверижна кръгова ДНК молекула. Състои се от 4 639 675 bp. и достига дължина приблизително 1,7 mm, което надвишава дължината на самата клетка E. coliприблизително 850 пъти. В допълнение към голямата кръгова хромозома като част от нуклеоида, много бактерии съдържат една или няколко малки кръгови ДНК молекули, които са свободно разположени в цитозола. Тези екстрахромозомни елементи се наричат плазмиди(фиг. 16).

Повечето плазмиди се състоят само от няколко хиляди базови двойки, някои съдържат повече от 10 000 bp. Те носят генетична информация и се репликират, за да образуват дъщерни плазмиди, които влизат в дъщерните клетки по време на деленето на родителската клетка. Плазмидите се срещат не само в бактерии, но и в дрожди и други гъбички. В много случаи плазмидите не осигуряват никаква полза за клетките гостоприемници и тяхната единствена цел е да се възпроизвеждат независимо. Въпреки това, някои плазмиди носят гени, полезни за гостоприемника. Например, гените, съдържащи се в плазмидите, могат да направят бактериалните клетки устойчиви на антибактериални средства. Плазмидите, носещи β-лактамазния ген, осигуряват резистентност към β-лактамни антибиотици като пеницилин и амоксицилин. Плазмидите могат да преминат от клетки, които са резистентни на антибиотици, към други клетки от същия или различен вид бактерии, причинявайки тези клетки също да станат резистентни. Интензивната употреба на антибиотици е мощен селективен фактор, който насърчава разпространението на плазмиди, кодиращи антибиотична резистентност (както и транспозони, които кодират подобни гени) сред патогенните бактерии, което води до появата на бактериални щамове с резистентност към множество антибиотици. Лекарите започват да разбират опасностите от широкото използване на антибиотици и ги предписват само в случаи на спешна нужда. По подобни причини широкото използване на антибиотици за лечение на селскостопански животни е ограничено.

Вижте също: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном на прокариоти // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. Т. 17. № 4/2. стр. 972-984.

Еукариоти.

Таблица 2. ДНК, гени и хромозоми на някои организми

	Споделена ДНК п.н.	Брой хромозоми*	Приблизителен брой гени
Ешерихия коли(бактерия)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae(мая)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(нематода)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana(растение)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster(плодова мушица)	120 367 260		20 000
Oryza sativa(ориз)	480 000 000		57 000
Mus musculus(мишка)	2 634 266 500		27 000
Хомо сапиенс(Човек)	3 070 128 600		29 000

Забележка.Информацията се актуализира постоянно; За по-актуална информация вижте уебсайтовете на отделни геномни проекти

* За всички еукариоти, с изключение на дрождите, е даден диплоиден набор от хромозоми. Диплоиденкомплект хромозоми (от гръцки diploos - двоен и eidos - вид) - двоен набор от хромозоми (2n), всеки от които има хомоложен.
**Хаплоиден комплект. Щамовете на диви дрожди обикновено имат осем (октаплоидни) или повече комплекта от тези хромозоми.
***За жени с две X хромозоми. Мъжете имат X хромозома, но нямат Y, т.е. само 11 хромозоми.

Дрождите, едни от най-малките еукариоти, имат 2,6 пъти повече ДНК от E. coli(Таблица 2). Клетки на плодова муха Дрозофила, класически обект на генетични изследвания, съдържат 35 пъти повече ДНК, а човешките клетки съдържат приблизително 700 пъти повече ДНК от E. coli.Много растения и земноводни съдържат още повече ДНК. Генетичният материал на еукариотните клетки е организиран под формата на хромозоми. Диплоиден набор от хромозоми (2 н) зависи от вида на организма (Таблица 2).

Например човешка соматична клетка има 46 хромозоми ( ориз. 17). Всяка хромозома на еукариотна клетка, както е показано на фиг. 17, А, съдържа една много голяма двуверижна ДНК молекула. Двадесет и четири човешки хромозоми (22 сдвоени хромозоми и две полови хромозоми X и Y) се различават по дължина повече от 25 пъти. Всяка еукариотна хромозома съдържа специфичен набор от гени.

Ориз. 17. Хромозоми на еукариоти.А- двойка свързани и кондензирани сестрински хроматиди от човешката хромозома. В тази форма еукариотните хромозоми остават след репликация и в метафаза по време на митоза. b- пълен набор от хромозоми от левкоцит на един от авторите на книгата. Всяка нормална човешка соматична клетка съдържа 46 хромозоми.

Ако свържете ДНК молекулите на човешкия геном (22 хромозоми и хромозоми X и Y или X и X), ще получите последователност с дължина около един метър. Забележка: При всички бозайници и други хетерогаметни мъжки организми женските имат две X хромозоми (XX), а мъжките имат една X хромозома и една Y хромозома (XY).

Повечето човешки клетки, така че общата дължина на ДНК на такива клетки е около 2 m. Един възрастен човек има приблизително 10 14 клетки, така че общата дължина на всички ДНК молекули е 2・10 11 km. За сравнение, обиколката на Земята е 4・10 4 km, а разстоянието от Земята до Слънцето е 1,5・10 8 km. Ето как удивително компактно е опаковано ДНК в нашите клетки!

В еукариотните клетки има и други органели, съдържащи ДНК - митохондрии и хлоропласти. Изложени са много хипотези относно произхода на митохондриалната и хлоропластната ДНК. Общоприетата гледна точка днес е, че те представляват рудименти на хромозомите на древни бактерии, които са проникнали в цитоплазмата на клетките гостоприемници и са станали предшественици на тези органели. Митохондриалната ДНК кодира митохондриални тРНК и рРНК, както и няколко митохондриални протеини. Повече от 95% от митохондриалните протеини са кодирани от ядрена ДНК.

СТРУКТУРА НА ГЕНИТЕ

Нека разгледаме структурата на гена в прокариотите и еукариотите, техните прилики и разлики. Въпреки факта, че генът е част от ДНК, която кодира само един протеин или РНК, в допълнение към непосредствената кодираща част, той също включва регулаторни и други структурни елементи, които имат различни структури в прокариотите и еукариотите.

Последователност на кодиране- основната структурна и функционална единица на гена, именно в нея се намират триплетите от кодиращи нуклеотидиаминокиселинна последователност. Започва със стартов кодон и завършва със стоп кодон.

Преди и след кодиращата последователност има нетранслирани 5' и 3' последователности. Те изпълняват регулаторни и спомагателни функции, например, осигурявайки кацането на рибозомата върху иРНК.

Нетранслираните и кодиращите последователности съставляват транскрипционната единица - транскрибираната секция на ДНК, т.е. секцията на ДНК, от която се осъществява синтеза на иРНК.

Терминатор- нетранскрибиран участък от ДНК в края на гена, където синтезът на РНК спира.

В началото на гена е регулаторен регион, което включва промоутърИ оператор.

Промоутър- последователността, към която се свързва полимеразата по време на инициирането на транскрипцията. Оператор- това е област, към която могат да се свържат специални протеини - репресори, което може да намали активността на синтеза на РНК от този ген - с други думи, да го намали изразяване.

Генна структура при прокариотите

Общият план на структурата на гена при прокариотите и еукариотите не е различен - и двата съдържат регулаторна област с промотор и оператор, транскрипционна единица с кодиращи и нетранслирани последователности и терминатор. Въпреки това организацията на гените при прокариотите и еукариотите е различна.

Ориз. 18. Схема на генна структура в прокариоти (бактерии) -изображението е увеличено

В началото и края на оперона има общи регулаторни области за няколко структурни гена. От транскрибираната област на оперона се чете една иРНК молекула, която съдържа няколко кодиращи последователности, всяка от които има свой собствен начален и стоп кодон. От всяка от тези области ссе синтезира един протеин. По този начин, От една иРНК молекула се синтезират няколко протеинови молекули.

Прокариотите се характеризират с комбинацията от няколко гена в една функционална единица - оперон. Работата на оперона може да се регулира от други гени, които могат да бъдат значително отдалечени от самия оперон - регулатори. Протеинът, преведен от този ген, се нарича репресор. Той се свързва с оператора на оперона, регулирайки експресията на всички гени, съдържащи се в него наведнъж.

Прокариотите също се характеризират с феномена Интерфейси транскрипция-превод.

Ориз. 19 Феноменът на свързване на транскрипцията и транслацията при прокариотите - изображението е увеличено

Такова свързване не се случва при еукариотите поради наличието на ядрена обвивка, която разделя цитоплазмата, където се извършва транслацията, от генетичния материал, върху който се извършва транскрипцията. При прокариотите, по време на синтеза на РНК върху ДНК матрица, рибозомата може незабавно да се свърже със синтезираната РНК молекула. По този начин преводът започва дори преди транскрипцията да е завършена. Освен това няколко рибозоми могат едновременно да се свържат с една РНК молекула, синтезирайки няколко молекули от един протеин наведнъж.

Генна структура при еукариоти

Гените и хромозомите на еукариотите са много сложно организирани

Много видове бактерии имат само една хромозома и в почти всички случаи има едно копие на всеки ген на всяка хромозома. Само няколко гена, като рРНК гени, се намират в множество копия. Гените и регулаторните последователности изграждат почти целия прокариотен геном. Нещо повече, почти всеки ген стриктно съответства на аминокиселинната последователност (или РНК последователност), която кодира (фиг. 14).

Структурната и функционална организация на еукариотните гени е много по-сложна. Изследването на еукариотните хромозоми и по-късно секвенирането на пълните последователности на еукариотния геном донесе много изненади. Много, ако не и повечето, еукариотни гени имат интересна характеристика: техните нуклеотидни последователности съдържат една или повече ДНК секции, които не кодират аминокиселинната последователност на полипептидния продукт. Такива нетранслирани вмъквания нарушават прякото съответствие между нуклеотидната последователност на гена и аминокиселинната последователност на кодирания полипептид. Тези нетранслирани сегменти в гените се наричат интрони, или вградена последователности, а кодиращите сегменти са екзони. При прокариотите само няколко гена съдържат интрони.

Така че при еукариотите комбинацията от гени в оперони практически не се случва и кодиращата последователност на еукариотен ген най-често се разделя на преведени секции - екзонии непреведени секции - интрони.

В повечето случаи функцията на интроните не е установена. Като цяло само около 1,5% от човешката ДНК е „кодираща“, т.е. носи информация за протеини или РНК. Въпреки това, като се вземат предвид големите интрони, се оказва, че човешката ДНК е 30% гени. Тъй като гените съставляват относително малка част от човешкия геном, значителна част от ДНК остава неустановена.

Ориз. 16. Схема на структурата на гена при еукариотите - изображението е увеличено

От всеки ген първо се синтезира незряла или пре-РНК, която съдържа както интрони, така и екзони.

След това протича процесът на снаждане, в резултат на което се изрязват интроничните области и се образува зряла иРНК, от която може да се синтезира протеин.

Ориз. 20. Алтернативен процес на снаждане - изображението е увеличено

Тази организация на гените позволява, например, когато различни форми на протеин могат да бъдат синтезирани от един ген, поради факта, че по време на сплайсинг екзоните могат да бъдат зашити заедно в различни последователности.

Ориз. 21. Разлики в структурата на гените на прокариотите и еукариотите - изображението е увеличено

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗА

Мутациясе нарича персистираща промяна в генотипа, т.е. промяна в нуклеотидната последователност.

Процесът, който води до мутации, се нарича мутагенеза, и тялото всичкочиито клетки носят същата мутация - мутант.

Теория на мутациитее формулиран за първи път от Hugo de Vries през 1903 г. Съвременната му версия включва следните разпоредби:

1. Мутациите възникват внезапно, спазматично.

2. Мутациите се предават от поколение на поколение.

3. Мутациите могат да бъдат полезни, вредни или неутрални, доминантни или рецесивни.

4. Вероятността за откриване на мутации зависи от броя на изследваните индивиди.

5. Подобни мутации могат да се появят многократно.

6. Мутациите не са насочени.

Мутациите могат да възникнат под въздействието на различни фактори. Има мутации, които възникват под влияние на мутагенен въздействия: физически (например ултравиолетови лъчи или радиация), химични (например колхицин или реактивни кислородни видове) и биологични (например вируси). Могат да бъдат причинени и мутации репликационни грешки.

В зависимост от условията, при които възникват мутациите, мутациите се делят на спонтанен- тоест мутации, възникнали при нормални условия, и индуциран- тоест мутации, възникнали при специални условия.

Мутации могат да възникнат не само в ядрената ДНК, но и например в митохондриалната или пластидната ДНК. Съответно можем да разграничим ядренИ цитоплазменмутации.

В резултат на мутации често могат да се появят нови алели. Ако мутантният алел потиска действието на нормален, се нарича мутацията доминантен. Ако нормален алел потиска мутантен, тази мутация се нарича рецесивен. Повечето мутации, които водят до появата на нови алели, са рецесивни.

Мутациите се отличават по ефект адаптивенкоето води до повишена адаптивност на организма към околната среда, неутрален, които не влияят на оцеляването, вреден, намаляване на адаптивността на организмите към условията на околната среда и смъртоносен, което води до смърт на организма в ранните стадии на развитие.

Според последствията, мутации, водещи до загуба на белтъчна функция, мутации, водещи до възникване протеинът има нова функция, както и мутации, които промяна на дозата на гена, и съответно дозата протеин, синтезиран от него.

Мутация може да възникне във всяка клетка на тялото. Ако възникне мутация в зародишна клетка, тя се нарича зародишен(зародишни или генеративни). Такива мутации не се появяват в организма, в който са се появили, но водят до появата на мутанти в потомството и се предават по наследство, така че са важни за генетиката и еволюцията. Ако възникне мутация в която и да е друга клетка, тя се нарича соматични. Такава мутация може да се прояви в една или друга степен в организма, в който е възникнала, например да доведе до образуването на ракови тумори. Такава мутация обаче не се предава по наследство и не засяга потомците.

Мутациите могат да засегнат области от генома с различни размери. Маркирайте генетични, хромозомнаИ геномнамутации.

Генни мутации

Наричат ​​се мутации, които се появяват в мащаб, по-малък от един ген генетични, или точка (точка). Такива мутации водят до промени в един или няколко нуклеотида в последователността. Сред генните мутации имазамени, което води до замяна на един нуклеотид с друг,изтривания, което води до загуба на един от нуклеотидите,вмъквания, което води до добавяне на допълнителен нуклеотид към последователността.

Ориз. 23. Генни (точкови) мутации

Според механизма на действие върху протеина генните мутации се разделят на:синоними, които (в резултат на израждането на генетичния код) не водят до промяна в аминокиселинния състав на протеиновия продукт,миссенс мутации, които водят до заместване на една аминокиселина с друга и могат да повлияят на структурата на синтезирания протеин, въпреки че често са незначителни,безсмислени мутации, което води до замяната на кодиращия кодон със стоп кодон,мутации, водещи до нарушение на сплайсинга:

Ориз. 24. Модели на мутация

Също така, според механизма на действие върху протеина, се разграничават мутации, които водят до изместване на рамката четене, като например вмъквания и изтривания. Такива мутации, като безсмислените мутации, въпреки че се появяват в една точка на гена, често засягат цялата структура на протеина, което може да доведе до пълна промяна в неговата структура.

Ориз. 29. Хромозома преди и след дублиране

Геномни мутации

накрая геномни мутациизасягат целия геном, тоест броят на хромозомите се променя. Има полиплоидии - увеличаване на плоидията на клетката и анеуплоидии, тоест промяна в броя на хромозомите, например тризомия (наличие на допълнителен хомолог на една от хромозомите) и монозомия (отсъствие на хомолог на хромозома).

Видео за ДНК

ДНК РЕПЛИКАЦИЯ, РНК КОДИРАНЕ, СИНТЕЗ НА БЕЛТЪЦИ

4.1. Клетъчно ядро

4.1.1. Общи изгледи

4.1.1.1. Функции на ядрото 4.1.1.2. Ядрена ДНК 4.1.1.3. Откриване на транскрипция в клетъчните ядра 4.1.1.4. Основна структура

4.1.2. Хроматин

4.1.2.1. Eu- и хетерохроматин 4.1.2.2. Полов хроматин 4.1.2.3. Нуклеозомна организация на хроматина

4.1.3. Нуклеоли

4.1.3.1. Структура 4.1.3.2. Откриване чрез светлинен микроскоп

4.1.4. Ядрена обвивка и матрица

4.1.4.1. Ядрена обвивка 4.1.4.2. Ядрена матрица

4.2. Клетъчно делене

4.2.1. Два начина на разделяне

4.2.2. Клетъчен цикъл

4.2.2.1. Клетъчен цикъл на постоянно делящи се клетки 4.2.2.2. Клетъчен цикъл за клетки, които спират да се делят 4.2.2.3. Пример - клетъчен цикъл на епидермалните клетки 4.2.2.4. Феноменът на полиплоидията

4.2.3. Митоза

4.2.3.1. Етапи на митоза 4.2.3.2. Вижте слайда: митози в тънките черва 4.2.3.3. Вижте слайда: митози в култура на животински клетки 4.2.3.4. Метафазни хромозоми 4.2.3.5. Нива на подреждане на хромозоми

4.1. Клетъчно ядро

4.1.1. Общи изгледи

4.1.1.1. Функции на ядрото

Функции на ядрото в соматичните клетки	а) Ядрото е най-важният органел на клетката, съдържащ наследствен материал – ДНК. б) Следователно в соматичните клетки той изпълнява 2 ключови функции: запазва наследствения материал за предаване на дъщерните клетки (образуван при деленето на първоначалната); осигурява използването на ДНК информация в самата клетка – дотолкова, доколкото това е необходимо за дадена клетка при дадени условия.
Информация, записана в ДНК	По-конкретно, ДНК на всяка клетка съдържа следната информация: относно първичната структура(аминокиселинни последователности) всички протеинивсички клетки на тялото (с изключение на някои митохондриални протеини, кодирани от митохондриална ДНК), относно първичната структура(нуклеотидни последователности) приблизително 60 вида транспортни РНКи 5 вида рибозомна РНК, и също, очевидно, относно програмата за използване на тази информацияв различни клетки в различни моменти от онтогенезата.
Последователност на предаване на информация	а) Преносът на информация за структурата на протеин включва 3 етапа.- Транскрипция.– В ядрото, върху участък от ДНК, като върху матрица, се образува информационна РНК(mRNA); по-точно неговият предшественик (пре-иРНК). съзряване на иРНК(обработка) и движението му в цитоплазмата. Излъчване.- В цитоплазмата, върху рибозомите, полипептидната верига се синтезира в съответствие с последователността на нуклеотидните триплети (кодони) в иРНК. б) Защото Сред протеините около 50% са ензими, след което тяхното образуване в крайна сметка води до синтеза на всички останали (непротеинови) компоненти на клетката и междуклетъчното вещество.
Процеси, протичащи в ядрото	а) И така, втората ключова функция на ядрото (използването на ДНК информация за осигуряване на клетъчния живот) се реализира поради факта, че то претърпява транскрипция на определени участъци от ДНК (пре-иРНК синтез), узряване на иРНК, синтез и узряване на тРНК и рРНК. б) Освен това в ядрото образуват се рибозомни субединици (от рРНК и рибозомни протеини, идващи от цитоплазмата). в) Накрая, преди клетъчното делене (с изключение на второто мейотично делене), ДНК репликация (удвояване) и в дъщерните ДНК молекули една от веригите е стара, а втората е нова (синтезирана върху първата по принципа на комплементарността).
Функции на ядрото в зародишните клетки	В зародишните клетки (сперма и яйцеклетки) функцията на ядрата е малко по-различна. Това подготовка на наследствен материал за съединяване с подобен материал на репродуктивната клетка на противоположния пол.

4.1.1.2. Ядрена ДНК

I. ДНК откриване

1. а) ДНК може да бъде открита в клетъчните ядра с помощта на метода на Feulgen (раздел 1.1.4). – б) С този цвят ДНК се оцветява черешов цвят , и други вещества и структури - до зелено . 2. а) На снимката виждаме, че наистина ядрата на (1) клетки съдържат ДНК. б) Изключение правят нуклеолите (2): тяхното съдържание на ДНК е ниско, поради което те, подобно на цитоплазмата (3), имат зелен цвят .

1. Лекарството е дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) в клетъчното ядро. Оцветяване по метода на Feulgen. Пълен размер

II. Характеристики на ядрената ДНК

4.1.1.3. Откриване на транскрипция в клетъчните ядра

I. Принцип на метода

Етикетиране на уридин

а) За откриване на транскрипционната активност на клетъчните ядра, животни in vivo в кръвта се инжектира разтвор на радиоактивен уридин. б) Това съединение се превръща в Н в клетките 3 –UTP (уридин трифосфат) е един от четирите нуклеотида, използвани в синтеза на РНК. в) Следователно, скоро след въвеждането на етикета, той се появява като част от новосинтезирани РНК вериги. Коментирайте. - При образуването на ДНК се използва тимидил нуклеотид вместо уридил нуклеотид; така че Н 3 –UTP е включен само в РНК.

Последващи процедури

а) След определено време животните се умъртвяват и се приготвят срезове от тъканите за изследване. б) Срезовете се покриват с фотоемулсия. - Там, където се намира радиоактивното съединение, фотоемулсията се разлага и се образуват сребърни гранули (2) . Тези. последните са маркери за радиоактивен етикет. в) След това срезът (след измиване и фиксиране) се оцветява като обикновен хистологичен препарат.

II. Лекарство

1. а) На представеното изображение виждаме, че белязаното вещество е концентрирано главно в ядрата (1) на клетките. б) Това отразява факта, че В ядрата се синтезират всички видове РНК – тРНК, тРНК и рРНК. 2. Наличието на знак в други части на лекарството се обяснява например с факта, че някаква част от етикетираното вещество (H 3 -уридин) не са имали време да бъдат включени в РНК, и част от новообразуваната РНК, напротив, вече е успяла да напусне ядрото в цитоплазмата.

2. Лекарство - включване на H 3 -уридин в РНК. Оцветяване с хематоксилин-еозин. Пълен размер

4.1.1.4. Основна структура

1. а) И ето редовен препарат за черен дроб. б) Кръглите ядра са ясно видими в чернодробните клетки (1). б) Последните се оцветяват с хематоксилин в лилав цвят. 2. а) На свой ред в ядрата можете да видите 3 основни елемента: ядрена обвивка (2), бучки хроматин (3), кръгли нуклеоли (4). б) Други компоненти на ядрото - ядрена матрица и ядрен сок - образуват средата, в която се намират хроматинът и ядрото.

3. Препарат – устройство на клетъчното ядро. Чернодробни клетки. Оцветяванехематоксилин-еозин. Пълен размер

3. В допълнение към ядрата, обърнете внимание на оксифилната, леко гранулирана цитоплазма (5) и не много забележими граници ( 6) клетки.

Сега нека разгледаме по-подробно структурата на ядрените структури.

Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК)е нуклеинова киселина, присъстваща във всеки организъм и във всяко живо същество, главно в неговото ядро, съдържаща дезоксирибоза като захар и аденин, гуанин, цитозин и тимин като азотни основи. Играе много важна биологична роля, запазвайки и предавайки генетична информация за структурата, развитието и индивидуалните характеристики на всеки тяло. ДНК препарати могат да бъдат получени от различни тъкани на животни и растения, както и от бактерии и ДНК-съдържащи бактерии.

ДНК е биополимер, състоящ се от много мономери - дезоксирибонуклеотиди, свързани чрез остатъци от фосфорна киселина в определена последователност, специфична за всяка отделна ДНК. Уникалната последователност от дезоксирибонуклеотиди в дадена ДНК молекула представлява кодиран запис на биологична информация. Две такива полинуклеотидни вериги образуват двойна спирала в ДНК молекула (виж Фиг. 1), в която комплементарни бази - аденин (А) с тимин (Т) и гуанин (G) с цитозин (С) - са свързани една с друга с помощта на водородни връзки връзки и така наречените хидрофобни взаимодействия. Тази характерна структура определя не само биологичните свойства на ДНК, но и нейните физикохимични характеристики.

Кликнете върху изображението, за да го увеличите:

Ориз. 1. Диаграма на двойната спирала на ДНК молекула (модел на Уотсън и Крик): А - аденин; Т - тимин; G - гуанин; С - цитозин; D - дезоксирибоза; F - фосфат

Големият брой фосфатни остатъци прави ДНК силна многоосновна киселина (полианион), която присъства в тъканите под формата на соли. Наличието на пуринови и пиримидинови основи предизвиква интензивно поглъщане на ултравиолетовите лъчи с максимум при дължина на вълната около 260 mm. При нагряване на ДНК разтвори връзката между базовите двойки отслабва и при определена температура, характерна за дадена ДНК (обикновено 80-90°), две полинуклеотидни вериги се разделят една от друга (топене или денатурация на ДНК).

Нативните ДНК молекули имат много висока моларна маса - до стотици милиони. Само в митохондриите, както и в някои вируси и бактерии, моларната маса на ДНК е значително по-малка; в тези случаи молекулите на ДНК имат кръгова (понякога, например при фаг ∅X174, едноверижна) или по-рядко линейна структура. В клетъчното ядро ​​ДНК се намира предимно под формата на ДНК протеини - комплекси с (главно хистони), които образуват характерни ядрени структури - хромозоми и хроматин. При индивид от даден вид ядрото на всяка соматична клетка (диплоидна телесна клетка) съдържа постоянно количество ДНК; в ядрата на зародишните клетки (хаплоидни) тя е наполовина по-ниска. При полиплоидията количеството на ДНК е по-високо и пропорционално на плоидността. По време на клетъчното делене количеството на ДНК се удвоява в интерфазата (в така наречения синтетичен, или "S" период, между периодите G1 и G2). Процесът на удвояване на ДНК (репликация) включва разгъването на двойна спирала и синтеза на нова комплементарна верига върху всяка полинуклеотидна верига. Така всяка от двете нови ДНК молекули, идентична на старата молекула, съдържа една стара и една новосинтезирана полинуклеотидна верига.

Биосинтезата на ДНК се осъществява от богати на свободна енергия нуклеозидни трифосфати под действието на ензима ДНК полимераза. Първо се синтезират малки участъци от полимера, които след това се свързват в по-дълги вериги чрез действието на ензима ДНК лигаза. Извън тялото биосинтезата на ДНК се осъществява в присъствието на всичките 4 вида дезоксирибонуклеозид трифосфати, съответните ензими и ДНК - матрицата, върху която се синтезира комплементарната нуклеотидна последователност. американски учен, биохимик Артър Корнберг, който за първи път провежда тази реакция през 1967 г., успява да получи биологично активна вирусна ДНК чрез ензимен синтез извън тялото. През 1968 г. индийският и американският молекулярен биолог Хар Гобинд Корана синтезират химически полидезоксирибонуклеотид, съответстващ на структурния ген (цистрон) на ДНК.

ДНК също така служи като матрица за синтеза на рибонуклеинови киселини (РНК), като по този начин определя тяхната първична структура (транскрипция). Чрез информационната РНК (и-РНК) се осъществява транслация - синтез на специфични протеини, чиято структура е дадена от ДНК под формата на специфична нуклеотидна последователност. Така че, ако РНК пренася биологична информация, „записана“ в ДНК молекули към синтезирани протеинови молекули, тогава ДНК съхранява тази информация и я предава на наследство. Тази роля на ДНК се доказва от факта, че пречистената ДНК на един щам бактерии е в състояние да прехвърли в друг щам характеристики, характерни за донорния щам, а също и от факта, че ДНК на вирус, който е живял в латентно състояние в бактерии от един щам е в състояние да прехвърли ДНК участъци от тези бактерии към друг щам, когато е заразен с този вирус и да възпроизведе съответните характеристики в реципиентния щам. По този начин наследствените наклонности (гени) са материално въплътени в определена последователност от нуклеотиди в участъци от молекулата на ДНК и могат да се предават от един индивид на друг заедно с тези участъци. Наследствените промени в организмите (мутации) са свързани с промени, загуба или включване на азотни бази в полинуклеотидните вериги на ДНК и могат да бъдат причинени от физически или химични влияния.

Определянето на структурата на ДНК молекулите и промяната им е начинът за получаване на наследствени промени при животни, растения и микроорганизми, както и за коригиране на наследствени дефекти. (съветски и руски учен, биохимик, академик на Руската академия на медицинските науки, професор Иля Борисович Збарски (26 октомври 1913 г., Каменец-Подолски - 9 ноември 2007 г., Москва))

През 1977 г. английският биохимик Фредерик Сангер предлага метод за дешифриране на първичната структура на ДНК, базиран на ензимния синтез на силно радиоактивна комплементарна ДНК последователност върху изследваната едноверижна ДНК като шаблон. В резултат на изследванията в областта на нуклеиновите киселини през 1980 г. Сенгър и американецът У. Гилбърт получават половината от Нобеловата награда „за техния принос в определянето на последователността на базите в нуклеиновите киселини“. Другата половина от наградата беше присъдена на американеца П. Берг.

В обикновения живот (т.е. не в науката) ДНК се използва за установяване на бащинствоИ установяване на самоличността на дадено лицекогато, ако тялото е повредено (злополука, пожар и др.), е невъзможно да се идентифицира тялото въз основа на външни данни и останки.

На 10 септември 1984 г. е открита уникалността на ДНК - "генетични пръстови отпечатъци".

Тялото на средностатистическия човек съдържа достатъчно ДНК, за да се простира от Слънцето до Плутон и обратно цели 17 пъти! Човешкият геном (генетичният код във всяка човешка клетка) съдържа 23 ДНК молекули (наречени хромозоми), всяка от които съдържа между 500 000 и 2,5 милиона нуклеотидни двойки. ДНК молекулите с този размер варират от 1,7 до 8,5 см в размотано състояние - средно около 5 см. Всеки от нас споделя 99% от нашата ДНК с всеки друг човек. Много повече си приличаме, отколкото сме различни.

Повече подробности за ДНК в литературата:

• Химия и биохимия на нуклеиновите киселини, под редакцията на И. Б. Збарски и Сергей Сергеевич Дебов, Л., 1968;
• Нуклеинови киселини, превод от английски, под редакцията на I. B. Zbarsky, М., 1966;
• Джеймс Уотсън. Молекулярна биология на гена, прев. от англ., М., 1967;
• Davidson J., Biochemistry of Nucleic Acids, trans. от английски, под редакцията на Андрей Николаевич Белозерски, М., 1968. И. Б. Збарски;
• Alberts B., Bray D., Lewis J. и др., Молекулярна биология на клетките в 3 тома. - М.: Мир, 1994. - 1558 с. - ISBN 5-03-001986-3;
• Докинс Р. Егоистичният ген. - М.: Мир, 1993. - 318 с. - ISBN 5-03-002531-6;
• История на биологията от началото на 20 век до наши дни. - М.: Наука, 1975. - 660 с.;
• Люин Б. Гени. - М.: Мир, 1987. - 544 с.;
• Пташне М. Превключване на гени. Регулиране на генната активност и фаг ламбда. - М.: Мир, 1989. - 160 с.;
• Уотсън Дж. Двойната спирала: спомени за откриването на структурата на ДНК. - М.: Мир, 1969. - 152 с.

По темата на статията:

Намерете още нещо интересно:

За да направим по-нататъшния разказ по-ясен за читателя, нека първо да разгледаме по-отблизо как работи тази странна и мистериозна ДНК молекула.

И така, ДНК се състои от 4 азотни бази, както и захар (дезоксирибоза) и фосфорна киселина. Две азотни бази (съкратено С и Т) принадлежат към класа на така наречените пиримидинови бази, а другите две (А и D) са пуринови бази. Това разделение се дължи на характеристиките на техните структури, които са показани на фиг. 1.

Ориз. 1. Структурата на азотните бази (елементарни "букви"), от които е изградена ДНК молекулата

Отделните бази са свързани във веригата на ДНК чрез захарно-фосфатни връзки. Тези връзки са изобразени на следващата фигура (фиг. 2).

Ориз. 2. Химическа структура на ДНК верига

Всичко това се знае от доста време. Но подробната структура на ДНК молекулата става ясна едва почти 90 години след известните трудове на Мендел и откритието на Мишер. 25 април 1953 г. в английско списание "природа"Публикувано е кратко писмо от младите и малко известни тогава учени Джеймс Уотсън и Франсис Крик до редактора на списанието. То започва с думите: „Бихме искали да предложим нашите мисли за структурата на ДНК сол. Тази структура има нови свойства, които са от голям биологичен интерес." Статията съдържаше само около 900 думи, но - и това не е преувеличение - всяка от тях се оказа на стойност злато.

И всичко започна така. През 1951 г. на симпозиум в Неапол американецът Джеймс Уотсън се среща с англичанина Морис Уилкинс. Разбира се, тогава те дори не можеха да си представят, че в резултат на тази среща ще станат нобелови лауреати. По това време Уилкинс и колегата му Розалинд Франклин извършват рентгенов дифракционен анализ на ДНК в университета в Кеймбридж и установяват, че молекулата на ДНК най-вероятно е спирала. След разговор с Уилкинс Уотсън се „запали“ и реши да изследва структурата на нуклеиновите киселини. Той се премества в Кеймбридж, където среща Франсис Крик. Учените решиха да работят заедно, за да се опитат да разберат как работи ДНК. Работата не започна от нулата. Изследователите вече са знаели за съществуването на два вида нуклеинови киселини (ДНК и РНК) и са знаели от какво се състоят. Те имаха на разположение снимки от рентгенова дифракция, получени от Р. Франклин. Освен това Ервин Чаргаф е формулирал по това време много важно правило, според което в ДНК числото A винаги е равно на числото T, а числото G е равно на числото C. И тогава „играта на ума“ работи . Резултатът от тази „игра“ беше статия в списание Nature, в която Дж. Уотсън и Ф. Крик описаха създадения от тях теоретичен модел за структурата на молекулата на ДНК. (Уотсън все още не беше на 25 години по това време, а Крик беше на 37). Според тяхната „научна фантазия“, която все пак се основава на някои твърдо установени факти, молекулата на ДНК трябва да се състои от две гигантски полимерни вериги. Единиците на всеки полимер се състоят от нуклеотиди: въглехидратна дезоксирибоза, остатък от фосфорна киселина и една от 4 азотни бази (A, G, T или C). Последователността на връзките във веригата може да бъде произволна, но тази последователност е тясно свързана с последователността на връзките в друга (сдвоена) полимерна верига: срещу A трябва да има T, срещу T трябва да има A, срещу C трябва да има G , а срещу G трябва да има C ( правило за допълване) (фиг. 3).

Ориз. 3. Схема на взаимодействие на две комплементарни вериги в ДНК молекула

Двете полимерни вериги са усукани в правилна двойна спирала. Те се държат заедно чрез водородни връзки между базови двойки (AT и G-C) като стъпалата на стълба. Поради тази причина се казва, че двете вериги на ДНК се допълват. Това не е изненадващо за природата. Има много примери за взаимно допълване. Например древните китайски символи „ин“ и „ян“, гнездата и щифтовете на щепсела се допълват.

Двойната спирала на ДНК е показана схематично на фиг. 4. Външно прилича на въжена стълба, навита в правилна спирала. Стъпалата в тази стълба са двойки нуклеотиди, а „страничните стени“, които ги свързват, се състоят от захарно-фосфатен гръбнак.

Ориз. 4. Известната двойна спирала на ДНК a - рентгенова дифракционна картина на ДНК, получена от Р. Франклин, която помогна на Уотсън и Крик да намерят ключа към структурата на двойната спирала на ДНК; b - Схематично представяне на двуверижна ДНК молекула

Така е открита известната „двойна спирала“. Ако последователността от връзки (нуклеотиди) в ДНК се счита за нейната първична структура, тогава двойната спирала вече е вторичната структура на ДНК. Моделът на „двойната спирала“, предложен от Уотсън и Крик, елегантно решава не само проблема с кодирането на информацията, но и удвояването на гените (репликация).

През 1962 г. Дж. Уотсън, Ф. Крик и Морис Уилкинс получават Нобелова награда за това постижение. А ДНК е наречена най-важната молекула на живата природа. Във всичко това, разбира се, точната информация за структурата на ДНК изигра роля, но не по-малко роля изиграха и „визионерските“ конструкции на сложна пространствена структура, която изискваше от изследователите не само логика, но и творческо въображение - качество, присъщо в художници, писатели и поети. „Тук, в Кеймбридж, се случи може би най-забележителното събитие в биологията след книгата на Дарвин – Уотсън и Крик откриха структурата на гена!“ - бившият му ученик М. Делбрюк пише на Нилс Бор в Копенхаген по това време. Известният испански художник Салвадор Дали след откриването на двойната спирала каза, че за него това е доказателство за съществуването на Бог и изобрази ДНК в една от картините си.

И така, интензивната мозъчна атака, предприета от учените, завърши с пълен успех! В исторически мащаб откриването на структурата на ДНК е сравнимо с откриването на структурата на атома. Ако изясняването на структурата на атома доведе до появата на квантовата физика, то откриването на структурата на ДНК даде началото на молекулярната биология.

Какви бяха основните физически параметри на човешката ДНК – тази основна молекула? Диаметърът на двойната спирала е 2 нанометра (1 nm = 10-9 m); разстоянието между съседни базови двойки („стъпки“) е 0,34 nm; един оборот на спиралата се състои от 10 базови двойки. Последователността на нуклеотидните двойки в ДНК е неправилна, но самите двойки са подредени в молекулата като в кристал. Това даде основание молекулата на ДНК да се характеризира като линеен апериодичен кристал. Броят на отделните ДНК молекули в една клетка е равен на броя на хромозомите. Дължината на такава молекула в най-голямата човешка хромозома 1 е около 8 см. Такива гигантски полимери все още не са идентифицирани нито в природата, нито сред изкуствено синтезирани химични съединения. При хората дължината на всички ДНК молекули, съдържащи се във всички хромозоми в една клетка, е приблизително 2 метра. Следователно дължината на ДНК молекулите е милиард пъти по-голяма от тяхната дебелина. Тъй като тялото на възрастен човек се състои от приблизително 5x1013 - 1014 клетки, общата дължина на всички ДНК молекули в тялото е 1011 km (това е почти хиляда пъти разстоянието от Земята до Слънцето). Ето какво е, общото ДНК на само един човек!

Когато говорим за размер на генома, имаме предвид общото съдържание на ДНК в един набор от ядрени хромозоми. Този набор от хромозоми се нарича хаплоиден. Факт е, че повечето клетки в нашето тяло съдържат двоен (диплоиден) набор от напълно идентични хромозоми (само при мъжете 2 полови хромозоми са различни). Измерванията на размера на генома са дадени в далтони, нуклеотидни двойки (bp) или пикограми (pg). Връзката между тези мерни единици е следната: 1 pg = 10-9 mg = 0,6x1012 dalton = 0,9x109 bp. (оттук нататък ще използваме предимно p.n.). Хаплоидният човешки геном съдържа около 3,2 милиарда bp, което се равнява на 3,5 pg ДНК. Така ядрото на една човешка клетка съдържа около 7 pg ДНК. Ако приемем, че средното тегло на една човешка клетка е приблизително 1000 pg, тогава е лесно да се изчисли, че ДНК съставлява по-малко от 1% от теглото на клетката. И все пак, за да се възпроизведе с най-малък шрифт (като в телефонните указатели) огромната информация, съдържаща се в ДНК молекулите на една от нашите клетки, ще са необходими хиляда книги от по 1000 страници всяка! Това е пълният размер на човешкия геном - Енциклопедия, написана с четири букви.

Но човек не трябва да мисли, че човешкият геном е най-големият от всички съществуващи в природата. Например при саламандрите и лилиите дължината на ДНК молекулите, съдържащи се в една клетка, е тридесет пъти по-голяма, отколкото при хората.

Тъй като ДНК молекулите са с гигантски размери, те могат да бъдат изолирани и видени дори у дома. Така е описана тази проста процедура в препоръката за кръжока „Млад генетик”. Първо, трябва да вземете тъкан от животни или растения (например ябълка или парче пиле). След това трябва да нарежете тъканта на парчета и да поставите 100 g в обикновен миксер. След като добавите 1/8 чаена лъжичка сол и 200 мл студена вода, разбийте цялата смес в миксер за 15 секунди. След това разбитата смес се прецежда през цедка. Към получената каша трябва да добавите 1/6 от количеството й (това ще са около 2 супени лъжици) препарат (например за съдове) и разбъркайте добре. След 5-10 минути течността се излива в епруветки или други стъклени съдове, така че във всяка от тях да се напълни не повече от една трета от обема. След това към него се добавя малко или сок, изцеден от ананас, или разтвор, използван за съхранение на контактни лещи. Цялото съдържание се разклаща. Това трябва да се прави много внимателно, защото ако разклатите прекалено силно, гигантските ДНК молекули ще се счупят и след това няма да можете да видите нищо с очите си. След това равен обем етилов алкохол бавно се излива в епруветката, така че да образува слой върху сместа. Ако след това завъртите стъклена пръчка в епруветка, около нея ще се "навие" вискозна и почти безцветна маса, която е ДНК препаратът.

| |
ДНК е молекулярната основа на геномаГенетична граматика

ДНК е универсален източник и пазител на наследствена информация, която се записва с помощта на специална последователност от нуклеотиди, определя свойствата на всички живи организми.

Приема се, че средното молекулно тегло на нуклеотида е 345, а броят на нуклеотидните остатъци може да достигне няколкостотин, хиляди и дори милиони. ДНК се намира най-вече в ядрата на клетките. Слабо се среща в хлоропластите и митохондриите. Въпреки това, ДНК на клетъчното ядро ​​не е една молекула. Състои се от много молекули, които са разпределени в различни хромозоми, като техният брой варира в зависимост от организма. Това са структурните характеристики на ДНК.

История на откриването на ДНК

Структурата и функциите на ДНК са открити от Джеймс Уотсън и Франсис Крик и дори са удостоени с Нобелова награда през 1962 г.

Но швейцарският учен Фридрих Йохан Мишер, който работи в Германия, е първият, който открива нуклеиновите киселини. През 1869 г. той изучава животински клетки - левкоцити. За да ги получи, той използва превръзки с гной, които получава от болниците. Мишер измива левкоцитите от гнойта и изолира протеин от тях. По време на тези изследвания ученият успя да установи, че в левкоцитите, в допълнение към протеините, има нещо друго, някакво вещество, неизвестно по това време. Това беше нишковидна или флокулентна утайка, която се освобождаваше, ако се създаде кисела среда. Утайката веднага се разтваря, когато се добави алкал.

С помощта на микроскоп ученият открил, че когато левкоцитите се измият със солна киселина, от клетките остават ядра. Тогава заключил, че в ядрото има непознато вещество, което нарекъл нуклеин (думата nucleus в превод означава ядро).

След провеждане на химичен анализ Мишер открива, че новото вещество съдържа въглерод, водород, кислород и фосфор. По това време малко се знае за органофосфорните съединения, така че Фридрих вярва, че е открил нов клас съединения, открити в клетъчното ядро.

Така през 19 век е открито съществуването на нуклеинови киселини. По онова време обаче никой дори не можеше да си помисли за важната роля, която играеха.

Субстанция на наследствеността

Структурата на ДНК продължава да се изучава и през 1944 г. група бактериолози, ръководени от Осуалд ​​Ейвъри, получават доказателства, че тази молекула заслужава сериозно внимание. Ученият прекарва много години в изучаване на пневмококи, организми, причиняващи пневмония или белодробни заболявания. Ейвъри провежда експерименти чрез смесване на пневмококи, които причиняват заболяване, с тези, които са безопасни за живите организми. Първо се убиват болестотворните клетки, а след това към тях се добавят тези, които не причиняват заболяване.

Резултатите от изследването изумиха всички. Имаше живи клетки, които след взаимодействие с мъртвите се научиха да причиняват болести. Ученият открива природата на веществото, което участва в процеса на предаване на информация към живите клетки от мъртвите. ДНК молекулата се оказа това вещество.

Структура

Така че е необходимо да се разбере каква структура има молекулата на ДНК. Откриването на структурата му беше значимо събитие, което доведе до формирането на молекулярната биология - нов клон на биохимията. ДНК се намира в големи количества в ядрата на клетките, но размерът и броят на молекулите зависят от вида на организма. Установено е, че ядрата на клетките на бозайниците съдържат много от тези клетки, те са разпределени по протежение на хромозомите, има 46 от тях.

Докато изучава структурата на ДНК, през 1924 г. Feulgen за първи път установява нейната локализация. Доказателства, получени от експерименти, показват, че ДНК се намира в митохондриите (1-2%). На други места тези молекули могат да бъдат намерени по време на вирусна инфекция, в базалните тела, а също и в яйцата на някои животни. Известно е, че колкото по-сложен е организмът, толкова по-голяма е масата на ДНК. Броят на присъстващите молекули в клетка зависи от функцията и обикновено е 1-10%. Най-малко от тях се намира в миоцитите (0,2%), най-много в зародишните клетки (60%).

Структурата на ДНК показва, че в хромозомите на висшите организми те са свързани с прости протеини - албумини, хистони и други, които заедно образуват DNP (дезоксирибонуклеопротеин). Обикновено една голяма молекула е нестабилна и за да остане непокътната и непроменена по време на еволюцията, е създадена така наречената система за възстановяване, която се състои от ензими - лигази и нуклеази, които отговарят за "ремонта" на молекула.

Химическа структура на ДНК

ДНК е полимер, полинуклеотид, състоящ се от огромен брой (до десетки хиляди милиони) мононуклеотиди. Структурата на ДНК е следната: мононуклеотидите съдържат азотни бази - цитозин (С) и тимин (Т) - от пиримидиновите производни, аденин (А) и гуанин (G) - от пуринови производни. В допълнение към азотните основи, човешката и животинската молекула съдържа 5-метилцитозин, второстепенна пиримидинова основа. Азотните основи се свързват с фосфорната киселина и дезоксирибозата. Структурата на ДНК е показана по-долу.

Правилата на Чаргаф

Структурата и биологичната роля на ДНК са изследвани от Е. Чаргаф през 1949 г. По време на своето изследване той идентифицира модели, които се наблюдават в количественото разпределение на азотните основи:

1. ∑T + C = ∑A + G (т.е. броят на пиримидиновите бази е равен на броя на пуриновите бази).
2. Броят на адениновите остатъци винаги е равен на броя на тиминовите остатъци, а броят на гуанина е равен на цитозина.
3. Коефициентът на специфичност има формулата: G+C/A+T. Например за човек е 1,5, за бик е 1,3.
4. Сумата от "A + C" е равна на сумата от "G + T", тоест има толкова аденин и цитозин, колкото гуанин и тимин.

Структурен модел на ДНК

Създаден е от Уотсън и Крик. Фосфатните и дезоксирибозните остатъци са разположени по гръбнака на две полинуклеотидни вериги, усукани спираловидно. Установено е, че равнинните структури на пиримидиновите и пуриновите основи са разположени перпендикулярно на оста на веригата и образуват, така да се каже, стъпала на стълба под формата на спирала. Установено е също, че А винаги е свързан с Т с помощта на две водородни връзки, а G е свързан с С с три същите връзки. Това явление е наречено „принцип на селективност и взаимно допълване“.

Нива на структурна организация

Полинуклеотидна верига, извита като спирала, е първична структура, която има определен качествен и количествен набор от мононуклеотиди, свързани с 3',5'-фосфодиестерна връзка. Така всяка от веригите има 3' край (дезоксирибоза) и 5' край (фосфат). Областите, които съдържат генетична информация, се наричат ​​структурни гени.

Молекулата с двойна спирала е вторичната структура. Освен това неговите полинуклеотидни вериги са антипаралелни и са свързани чрез водородни връзки между комплементарните бази на веригите. Установено е, че всеки оборот на тази спирала съдържа 10 нуклеотидни остатъка, дължината му е 3,4 nm. Тази структура се поддържа и от сили на взаимодействие на Ван дер Ваалс, които се наблюдават между основите на една и съща верига, включително отблъскващи и привлекателни компоненти. Тези сили се обясняват с взаимодействието на електрони в съседни атоми. Електростатичното взаимодействие също стабилизира вторичната структура. Това се случва между положително заредени хистонови молекули и отрицателно заредена ДНК верига.

Третичната структура е навиването на ДНК вериги около хистони или супернавиване. Описани са пет вида хистони: H1, H2A, H2B, H3, H4.

Сгъването на нуклеозомите в хроматин е кватернерна структура, така че ДНК молекула с дължина няколко сантиметра може да се сгъне до 5 nm.

Функции на ДНК

Основните функции на ДНК са:

1. Съхраняване на наследствена информация. Последователността на аминокиселините, открити в протеиновата молекула, се определя от реда, в който нуклеотидните остатъци са разположени в молекулата на ДНК. Той също така криптира цялата информация за свойствата и характеристиките на организма.
2. ДНК е способна да предава наследствена информация на следващото поколение. Това е възможно благодарение на способността за репликация - самодублиране. ДНК е способна да се разпадне на две допълващи се вериги и на всяка от тях (в съответствие с принципа на комплементарността) се възстановява оригиналната нуклеотидна последователност.
3. С помощта на ДНК се осъществява биосинтезата на протеини, ензими и хормони.

Заключение

Структурата на ДНК й позволява да бъде пазител на генетична информация и също така да я предава на бъдещите поколения. Какви характеристики има тази молекула?

1. Стабилност. Това е възможно благодарение на гликозидни, водородни и фосфодиестерни връзки, както и на механизма на възстановяване на индуцирани и спонтанни увреждания.
2. Възможност за репликация. Този механизъм позволява диплоидният брой хромозоми да се поддържа в соматичните клетки.
3. Наличието на генетичен код. Чрез процесите на транслация и транскрипция, последователността от бази, намерени в ДНК, се превръща в последователност от аминокиселини, открити в полипептидната верига.
4. Капацитет за генетична рекомбинация. В този случай се образуват нови комбинации от гени, които са свързани помежду си.

Така структурата и функциите на ДНК й позволяват да играе безценна роля в живите същества. Известно е, че дължината на 46-те ДНК молекули, открити във всяка човешка клетка, е почти 2 m, а броят на нуклеотидните двойки е 3,2 милиарда.