Хромозоми За да знаете нещо, трябва вече да знаете нещо. Станислав Лем - Загубата на част от хромозома може да има фатални последици - Хромозомите са компактна форма на съхранение на ДНК - Допълнителна хромозома може да изкриви живота на човек - Хромозомите определят пола

Хромозоми и пол В развлекателната индустрия най-успешната идея беше хората да се разделят на два пола. Янина

Допълнителни Х хромозоми Когато се говори за хромозомни полови разстройства при хората в училище, учениците понякога излагат любопитната хипотеза, че допълнителна Х хромозома би трябвало да причини раждането на „супер жени“ като описаните в скандинавската митология

За да направим по-нататъшния разказ по-ясен за читателя, нека първо разгледаме по-подробно как е устроена 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 G) принадлежат към пуриновите бази. Това разделение се дължи на характеристиките на техните структури, които са показани на фиг. един.

Ориз. един. 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 показани на следващата фигура (фиг. 2).

Ориз. 2. Химическата структура на ДНК веригата

Всичко това се знае от доста време. Но подробната структура на ДНК молекулата става ясна едва почти 90 години след известната работа на Мендел и откритието на Мишер. 25 април 1953 г. в английско списание природаМалко писмо беше публикувано от млади и тогава малко известни учени Джеймс Уотсън и Франсис Крик до редактора на списанието. То започва с думите: „Бихме искали да предложим нашите мисли за структурата на ДНК солта. Тази структура има нови свойства, които са от голям биологичен интерес." Статията съдържа само около 900 думи, но - и това не е преувеличение - всяка от тях струваше теглото си в злато.

И всичко започна така. През 1951 г. на симпозиум в Неапол американецът Джеймс Уотсън се запознава с англичанина Морис Уилкинс. Разбира се, по това време 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 провеждат 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 запалил" и решил 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 във вакуум. Изследователите вече са знаели за съществуването на два вида нуклеинови киселини (ДНК и РНК) и са знаели от какво се състоят. На тяхно разположение бяха снимки от рентгенова дифракция, получени от Р. Франклин. В допълнение, по това време Ервин Чаргаф е формулирал 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“ работеше. Резултатът от тази "игра" беше статия в списание Nature, в която Дж. Уотсън и Ф. Крик описаха своя теоретичен модел на структурата на молекулата на ДНК. (Уотсън беше под 25 по това време, а Крик беше на 37). Според тяхната "научна фантазия", въпреки това основана на определени твърдо установени факти, молекулата на ДНК трябва да се състои от две гигантски полимерни вериги. Единиците на всеки полимер са съставени от нуклеотиди: дезоксирибозен въглехидрат, остатък от фосфорна киселина и една от 4-те 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: противоположното А трябва да бъде Т, противоположното Т трябва да бъде А, противоположното С трябва да бъде G и противоположното G трябва да е C ( правило за допълване) (фиг. 3).

Ориз. 3. Диаграма на взаимодействието на две допълващи се вериги в ДНК молекула

Две полимерни вериги са усукани в правилна двойна спирала. Те се държат заедно чрез водородни връзки между базови двойки (AT и G-C) като стъпала на стълба. Поради тази причина се казва, че двете вериги на ДНК се допълват. За природата това не е изненадващо. Има много примери за взаимно допълване. Допълнителни са например древните китайски символи "ин" и "ян", гнездата на гнездото и щепселните щифтове.

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

Ориз. четири. Известната двойна спирала на ДНК a - рентгенова снимка 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 информация, но и проблема с дублирането на гените (репликацията).

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 в по-малка степен и „визионерското“ изграждане на сложна пространствена структура, което изисква от изследователите не само логика, но и творческо въображение – качество присъщи на художници, писатели и поети. „Тук в Кеймбридж се случи може би най-забележителното събитие в биологията след книгата на Дарвин – Уотсън и Крик разкриха структурата на гена!“ - пише по това време на Нилс Бор в Копенхаген неговият бивш ученик М. Делбрюк. 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 своите картини.

И така, интензивната мозъчна атака, предприета от учените, беше 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 се оказаха 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 молекула 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 открити нито в природата, нито сред изкуствено синтезирани химични съединения. При хората дължината на всички ДНК молекули, съдържащи се във всички хромозоми на 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 го, цялото ДНК само на един човек!

Когато се говори за размера на генома, те имат предвид общото съдържание на ДНК в един набор от хромозоми на ядрото. Такъв набор от хромозоми се нарича хаплоиден. Факт е, че повечето клетки в нашето тяло съдържат двоен (диплоиден) набор от абсолютно еднакви хромозоми (само при мъжете 2 полови хромозоми са различни). Измерванията на размера на генома са дадени в далтони, базови двойки (bp) или пикограми (pg). Съотношението между тези мерни единици е както следва: 1 pg = 10-9 mg = 0,6x1012 далтона = 0,9x109 p. (по-нататък ще използваме предимно a.s.). 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. Като се има предвид, че средното тегло на човешка клетка е около 1000 pg, лесно е 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, която се съдържа в ДНК молекулите на една от нашите клетки, ще са необходими хиляда книги от по 1000 страници! Това е пълният размер на човешкия геном - Енциклопедията, написана с четири букви.

Но човек не трябва да мисли, че човешкият геном е най-големият от всички съществуващи в природата. Например при саламандър и лилия 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. Ето как тази лесна процедура е описана в препоръката за кръга на младите генетици. Първо, трябва да вземете всякакви тъкани от животински или растителни организми (например ябълка или парче пиле). След това трябва да нарежете тъканта на парчета и да поставите 100 g в обикновен миксер. След добавяне на 1/8 чаена лъжичка сол и 200 мл студена вода, цялата смес се разбива на миксер за 15 секунди. След това разбитата смес се прецежда през цедка. В получената каша добавете 1/6 от количеството й (ще бъдат 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 от ананас, или разтвор, използван за съхранение на контактни лещи. Цялото съдържание се разклаща. Това трябва да се направи много внимателно, защото ако разклатите прекалено силно, тогава гигантските ДНК молекули ще се счупят и след това нищо няма да бъде видимо за очите. След това равен обем етанол се излива бавно в епруветката, така че да образува слой върху сместа. Ако след това завъртите стъклена пръчка в епруветка, върху нея се „навива“ вискозна и почти безцветна маса, която е ДНК препарат.

| |
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 няколко стотици, хиляди и дори милиони. ДНК се намира най-вече в ядрата на клетките. Малко се намира 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 е структурата на ДНК.

История на откриването на ДНК

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

Но за първи път швейцарският учен Фридрих Йохан Мишер, който работи в Германия, открива нуклеинови киселини. През 1869 г. той изследва животински клетки - левкоцити. За да ги получи, той използва превръзки с гной, които получава от болниците. Мишер измива левкоцитите от гной и изолира протеин от тях. В хода на тези изследвания ученият успя да установи, че освен протеини, в левкоцитите има нещо друго, някакво неизвестно по това време вещество. Това беше нишковидна или люспеста утайка, която се открояваше, ако се създаде кисела среда. Утайката веднага се разтваря при добавяне на основа.

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 установи, че новото вещество в състава си има въглерод, водород, кислород и фосфор. По това време са били известни малко органофосфорни съединения, така че Фридрих смята, че е открил нов клас съединения, открити в клетъчното ядро.

Така през 19 век е открито съществуването на нуклеинови киселини. Но по това време никой дори не можеше да си помисли каква важна роля играят.

Същността 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 е изучавал пневмококи, организми, които причиняват пневмония или белодробни заболявания, в продължение на много години. Ейвъри провежда експерименти, смесвайки 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 заболявания.

Резултатите от изследването изумиха всички. Имаше такива 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 неговата структура беше значимо събитие, то 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 хромозоми, има 46 от тях.

Изучавайки структурата на ДНК, през 1924 г. Фелген за първи път установява нейната локализация. Доказателствата, получени по време на експериментите, 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 молекулите в клетката зависи от функцията и обикновено е 1-10%. Най-малко от тях има в миоцитите (0,2%), повече - 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, отговорни за "ремонта" на молекулата.

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. В хода на своите изследвания той разкрива модели, които се наблюдават в количественото разпределение на азотните основи:

1. ∑T + C \u003d ∑A + G (т.е. броят на пиримидиновите бази е равен на броя на пурините).
2. Броят на адениновите остатъци винаги е равен на броя на тиминовите остатъци, а количеството на гуанина е равно на цитозина.
3. Коефициентът на специфичност има формулата: G+C/A+T. Например при хората е 1,5, при бика е 1,3.
4. Сумата от "A + C" е равна на сумата от "G + T", тоест има толкова аденин и цитозин, колкото има гуанин и тимин.

Структурен модел на ДНК

Създаден е от Уотсън и Крик. Фосфатните остатъци и дезоксирибозата са разположени по ръба на две полинуклеотидни вериги, усукани спирално. 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 стълбище 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 допълване".

Нива на структурна организация

Полинуклеотидната верига, огъната 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). Регионите, които съдържат генетична информация, се наричат ​​структурни гени.

Молекулата с двойна спирала е вторична 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 силите 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 в протеиновата молекула се определя от реда, в който нуклеотидните остатъци са разположени в молекулата на ДНК. В него е кодирана и цялата информация за свойствата и характеристиките на организма.
2. ДНК е способна да предава наследствена информация на следващото поколение. Това е възможно поради способността за репликация - самоудвояване. ДНК е способна да се раздели 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 позволява тя да бъде пазител на генетична информация, както и да я предава на следващите поколения. Какви са характеристиките на 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 на соматичните клетки да поддържат диплоиден брой хромозоми.
3. Съществуването на генетичния код. С помощта на процесите на транслация и транскрипция, последователността от бази, намерени в ДНК, се превръща в последователност от аминокиселини, открити в полипептидната верига.
4. Способността 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 организмите на живите същества. Известно е, че дължината на 46 ДНК молекули във всяка човешка клетка е почти 2 m, а броят на нуклеотидните двойки е 3,2 милиарда.

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

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 е кодов запис на биологична информация. Две такива полинуклеотидни вериги образуват двойна спирала в ДНК молекулата (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. Такава характерна структура определя не само биологичните свойства на ДНК, но и нейните физикохимични характеристики.

Кликнете върху снимката за уголемяване:

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

Голям 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 микрона. Когато разтворите на ДНК се нагряват, 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, ДНК).

Нативните ДНК молекули имат много висока моларна маса - до стотици милиони. Само в митохондриите, както и при някои вируси и бактерии, моларната маса на ДНК е много по-малка; в тези случаи молекулите на ДНК имат кръгова (понякога, например, във фага ∅X174, едноверижна) или, по-рядко, линейна структура. В клетъчното ядро ​​ДНК се намира главно под формата на ДНК протеини - комплекси с (главно хистони), които образуват характерни ядрени структури - хромозоми и хроматин. При индивид от този вид ядрото на всяка соматична клетка (диплоидна телесна клетка) съдържа постоянно количество ДНК; в ядрата на зародишните клетки (хаплоидни) е наполовина по-малко. При полиплоидията количеството 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 дублиране (репликация) на ДНК се състои в разгъването на двойната 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 възниква от богати на свободна енергия нуклеозидни трифосфати под действието на ензима ДНК полимераза. Първо се синтезират малки участъци от полимера, които след това се комбинират в по-дълги вериги под действието на ензима ДНК лигаза. Извън тялото биосинтезата на ДНК се осъществява в присъствието на всичките 4 вида дезоксирибонуклеозид трифосфати, съответните ензими и ДНК - матрица, върху която се синтезира комплементарна нуклеотидна последователност. американски ученият биохимик Артър Корнберг, който за първи път провежда тази реакция през 1967 г., успява да получи биологично активната ДНК на вируса чрез ензимен синтез извън тялото. През 1968 г. индийският и американски молекулярен биолог Хар Гобинд Корана синтезира по химичен път полидезоксирибонуклеотид, съответстващ на структурния ген (цистрон) на ДНК.

ДНК също така служи като шаблон 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 белтъци, чиято структура е дадена от ДНК под формата на специфична нуклеотидна последователност. Така че, ако РНК пренася биологична информация, "записана" в молекулите на ДНК, към синтезирани протеинови молекули, тогава ДНК запазва тази информация и я предава по наследство. Тази роля на ДНК се доказва от факта, че пречистената ДНК на един щам бактерии е в състояние да прехвърли на друг щам характеристиките, характерни за донорния щам, както и от факта, че ДНК на вирус, който е живял в латентно състояние в бактериите от един щам е в състояние да прехвърли части от ДНК на тези бактерии в друг щам, когато е заразен с този вирус и възпроизвежда 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 промяна, загуба или включване на азотни бази в полинуклеотидните вериги на ДНК и могат да бъдат причинени от физически или химични влияния.

Изясняването на структурата на ДНК молекулите и тяхната промяна 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. Сангер 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 идентификация на лицекогато в случай на повреда на тялото (авария, пожар и др.) е невъзможно да се идентифицира тялото по външни данни и останки.

На 10 септември 1984 г. е открита уникалността на ДНК – „генетични пръстови отпечатъци“.

В тялото на обикновен човек има 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 от 500 000 до 2,5 милиона базови двойки. ДНК молекулите с такъв размер имат дължина от 1,7 до 8,5 см, когато са развити - средно около 5 см. Всеки от нас споделя 99% от нашата ДНК с всеки друг човек. Много повече си приличаме, отколкото различни.

Повече 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., Биохимия на нуклеинова киселина, прев. от английски, под редакцията на Андрей Николаевич Белозерски, Москва, 1968. И. Б. Збарски;
• Alberts B., Bray D., Lewis J. et al., Молекулярна биология на клетката 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.;
• Ptashne M. Превключване на гени. Регулиране на генната активност и ламбда фаг. - М.: Мир, 1989. - 160 с.;
• Уотсън Д. Двойната спирала: мемоари за откриването на структурата на ДНК. - М.: Мир, 1969. - 152 с.

По темата на статията:

Намерете нещо друго, което ви интересува:

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

Дезоксирибонуклеинова киселина. Главна информация

ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е един вид план на живота, 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 определя цялата програма за развитие на всеки жив организъм. Генетично заложените фактори предопределят целия ход на живота както на човек, така и на всеки друг организъм. Изкуственото или естественото влияние на външната среда може само леко да повлияе на общата тежест на индивидуалните генетични черти или да повлияе 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. Те и нисшите еукариоти (например дрожди) също имат малки автономни, предимно кръгли ДНК молекули, наречени плазмиди.

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

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

В преобладаващото мнозинство от случаите (с изключение на някои вируси, съдържащи едноверижна ДНК), макромолекулата на ДНК се състои от две вериги, ориентирани от азотни бази една към друга. Тази двуверижна молекула е усукана в 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 изграждат „стъпалата“ на спираловидната „стълба“ 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 информационни или шаблонни (mRNA), рибозомни (rRNA) и транспортни (tRNA). Всички тези видове РНК се синтезират върху ДНК шаблона чрез копиране на ДНК последователността в РНК последователността, синтезирана по време на транскрипцията и участват в биосинтезата на протеини (процес на транслация). В допълнение към кодиращите последователности, клетъчната ДНК съдържа последователности, които изпълняват регулаторни и структурни функции.

Ориз. 3. ДНК репликация

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

образование нова ДНК (репликация)

1. Процесът 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 нов ДНК елемент. Новите базови двойки са свързани в същата последователност, както в родителския клон.

След завършване на дублирането се образуват две независими спирали, създадени от химичните съединения на родителската ДНК и имащи същия генетичен код с нея. По този начин ДНК може да прехвърля информация от клетка на клетка.

По-подробна информация:

СТРУКТУРА НА НУКЛЕИНОВИТЕ КИСЕЛИНИ

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

Дезоксирибонуклеинова киселина(ДНК) се отнася до нуклеинови киселини. Нуклеинова киселинае 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. Фиг. 5. Структурата 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 комбинира с третия и петия въглероден атом. Ето как нуклеиновите киселини се свързват заедно, за да образуват верига от нуклеинови киселини. Така можем да изолираме 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 спирала са ориентирани в противоположни посоки. В различните вериги на ДНК азотните бази са свързани една с друга посредством водородни връзки. Аденинът винаги се свързва с тимин, а цитозинът винаги се свързва с гуанин. Нарича се правило за допълване.

Правило за допълване:

Например, ако ни бъде дадена ДНК верига, която има 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. Посоката на веригите на молекулата на ДНК и свързването на азотни бази с помощта на водородни връзки

ДНК РЕПЛИКАЦИЯ

репликация на ДНКе процес на удвояване на ДНК молекула чрез шаблонен синтез. В повечето случаи на естествена репликация на ДНКбукварза синтеза на ДНК е кратък откъс (създадено отново). 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 начин. Това означава, че двойната спирала на ДНК се развива и върху всяка от нейните вериги се завършва нова верига според принципа на комплементарността. Така дъщерната ДНК молекула съдържа една верига от родителската молекула и една новосинтезирана. Репликацията се извършва в посока 3' към 5' на родителската верига.

Ориз. 8. Репликация (удвояване) на ДНК молекулата

ДНК синтез- това не е толкова сложен процес, колкото може да изглежда на пръв поглед. Ако мислите за това, тогава първо трябва да разберете какво е синтез. Това е процес на обединяване на нещо. 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, следвайки топоизомеразата, влияе на процеса на "размотаване" на спиралата на ДНК.
3) ДНК-свързващите протеини извършват свързването на ДНК вериги и също така извършват тяхната стабилизация, предотвратявайки залепването им една за друга.
4) ДНК полимераза δ(делта) , съгласувано със скоростта на движение на репликационната вилица, извършва синтезаводещиверигидъщерно дружество ДНК в посока 5" → 3" върху матрицатамайчина нишки на ДНК в посока от неговия 3" край до 5" край (скорост до 100 базови двойки в секунда). Тези събития по този майчинанишките на ДНК 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) Okazaki фрагмент, (8) ДНК полимераза δ (Polδ), (9) Хеликаза, (10) Едноверижни ДНК-свързващи протеини, (11) Топоизомераза.

Синтезът на изоставащата дъщерна ДНК верига е описан по-долу (вижте по-долу). схемарепликационна вилка и функция на репликационни ензими)

За повече информация относно репликацията на ДНК вижте

5) Веднага след развиването и стабилизирането на друга верига от родителската молекула, тя се присъединяваДНК полимераза α(алфа)и 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 полимеразаα прикрепен към 3" края на грундаДНК полимеразаε .

6) ДНК полимеразаε (епсилон) сякаш продължава да удължава грунда, но като субстрат вграждадезоксирибонуклеотиди(в количество 150-200 нуклеотида). В резултат на това се образува твърда нишка от две части -РНК(т.е. грунд) и ДНК. ДНК полимераза εработи, докато не срещне грунда на предишнияфрагмент Оказаки(синтезирано малко по-рано). След това този ензим се отстранява от веригата.

7) ДНК полимераза β(бета) стои на мястото наДНК полимерази ε,се движи в същата посока (5" → 3") и премахва праймерните рибонуклеотиди, докато 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 и ДНК отпред, така че напуска веригата.

В резултат на това фрагмент от дъщерната ДНК "лежи" върху матрицата на майчината нишка. Нарича сефрагмент от Оказаки.

8) ДНК лигаза лигира две съседни фрагменти Оказаки , т.е. 5 "-край на сегмента, синтезиранДНК полимераза ε,и 3" вграден край на веригатаДНК 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 е изградена от дълга верига, в която всяка връзка е извикана нуклеотид. Всеки нуклеотид е изграден от азотна основа, рибозна захар и фосфатна група. Въпреки това, за разлика от ДНК, РНК обикновено има една, а не две вериги. Пентозата в РНК е представена от рибоза, а не от 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) урацил присъства в РНК ( 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.

Клетъчните РНК се образуват в процес, наречен транскрипция , тоест синтеза на РНК върху ДНК матрица, извършвана от специални ензими - РНК полимерази.

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

Ориз. 10. Разликата между ДНК и РНК по отношение на 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 молекулата на РНК - тази верига се нарича кодираща. Втората верига на ДНК, която е комплементарна на кодиращата верига, се нарича шаблонна верига. В процеса на транскрипция върху матричната верига в посока 3'-5' (по дължината на ДНК веригата) се синтезира комплементарна на нея РНК верига. Така се 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

Помислете за 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 протеинов синтез: 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 изброява всичките 64 кодона и изброява съответните аминокиселини. Основният ред е от 5" до 3" края на иРНК.

Таблица 1. Стандартен генетичен код

Сред тройките има 4 специални последователности, които действат като "препинателни знаци":

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

• **Тризнаци UAA, UAGи UGAНаречен стоп кодонии не кодират никакви аминокиселини. При тези последователности протеиновият синтез спира.

Свойства на генетичния код

1. Тройност. 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 част от два триплета едновременно.

4. Уникалност. 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 нишка:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Матричната верига ще има следната последователност:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Сега ние "синтезираме" информационна РНК от тази верига:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Синтезът на протеини върви в посока 5' → 3', следователно трябва да обърнем последователността, за да "прочетем" генетичния код:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Сега намерете началния кодон AUG:

5’- AU АВГУСТ CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Разделете последователността на тройки:

звучи така: информацията от ДНК се прехвърля 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 такъв 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 съвкупността от гени, съдържащи се в хаплоидния набор от хромозоми на организми от същия биологичен вид. Първоначалното значение на този термин показва, че концепцията за генома, 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 сегменти от ДНК молекули, които кодират полипептиди и РНК молекули.

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

През 1940 г. Джордж Бийдъл и Едуард Татъм предлагат молекулярна дефиниция на ген. Учените обработиха спори на гъбички 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 Тейтъм стигнаха до заключението, че генът е част от генетичен материал, който дефинира или кодира един ензим. Ето как хипотезата "един ген, един ензим". Тази концепция по-късно беше разширена до дефиницията "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. 14 показва диаграма на това как ДНК триплетите определят полипептид, аминокиселинната последователност на протеин, медииран от 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).

Съвременна биохимична дефиниция 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 част от ДНК служи като шаблон за образуването на различни продукти.

Можем грубо да изчислим минимален размер на генакодиране на междинния 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, кодиран от дадения ген. Полипептидна верига от 350 аминокиселинни остатъка (средна дължина на веригата) съответства на последователност от 1050 bp. ( bp). Въпреки това, много еукариотни гени и някои прокариотни гени са прекъснати от ДНК сегменти, които не носят информация за протеина, 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 широк клас ядрени протеини, които изпълняват две основни функции: участват в опаковането на ДНК вериги в ядрото и в епигенетичната регулация на ядрени процеси като транскрипция, репликация и възстановяване.

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

Прокариоти (бактерии).

бактерия E. coliима една двуверижна кръгова ДНК молекула. Състои се от 4 639 675 б.п. и достига дължина приблизително 1,7 mm, което надвишава дължината на самата клетка E. coliоколо 850 пъти. В допълнение към голямата кръгова хромозома като част от нуклеоида, много бактерии съдържат една или повече 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 предлагат предимство на клетките гостоприемници и единствената им задача е да се възпроизвеждат независимо. Въпреки това, някои плазмиди носят гени, полезни за гостоприемника. Например, гените, съдържащи се в плазмидите, могат да придадат резистентност към антибактериални средства в бактериалните клетки. Плазмидите, носещи β-лактамазния ген, придават резистентност към β-лактамни антибиотици като пеницилин и амоксицилин. Плазмидите могат да преминат от резистентни на антибиотици клетки към други клетки от същия или различен бактериален вид, 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 и води до появата на бактериални щамове с резистентност към няколко антибиотици. Лекарите започват да разбират опасностите от широкото използване на антибиотици и ги предписват само когато е абсолютно необходимо. 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. V. 17. No. 4/2. стр. 972-984.

Еукариоти.

Таблица 2. ДНК, гени и хромозоми на някои организми

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 - двойно и eidos - изглед) - двоен набор от хромозоми (2n), всеки от които има хомоложен.
**Хаплоиден комплект. Дивите видове 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.

Дрождева клетка, един от най-малките еукариоти, има 2,6 пъти повече ДНК от клетка E. coli(Таблица 2). клетки от плодови мушици Дрозофила, класически обект на генетични изследвания, съдържа 35 пъти повече ДНК, а човешките клетки съдържат около 700 пъти повече ДНК от клетките 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, в една човешка соматична клетка има 46 хромозоми ( ориз. 17). Всяка хромозома в 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. еукариотни хромозоми.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) една с друга, 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 около 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 колко удивително компактно е пакетирана ДНК в нашите клетки!

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

СТРУКТУРА НА ГЕНИТЕ

Помислете за структурата на гена в прокариотите и еукариотите, техните прилики и разлики. Въпреки факта, че генът е участък от ДНК, кодиращ само един протеин или РНК, в допълнение към директно кодиращата част, той включва също регулаторни и други структурни елементи, които имат различна структура при прокариотите и еукариотите.

кодираща последователност- основната структурна и функционална единица на гена, именно в нея се намират триплетите от нуклеотиди, кодиращиаминокиселинна последователност. Започва със стартов кодон и завършва със стоп кодон.

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

Нетранслираните и кодиращите последователности съставляват единицата на транскрипция - транскрибираната ДНК област, т.е. ДНК област, от която се синтезира иРНК.

ТерминаторНетранскрибирана област на ДНК в края на ген, където синтезът на РНК спира.

В началото на гена е регулаторна зона, което включва промоутъри оператор.

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

Структурата на гените в прокариотите

Общият план за структурата на гените при прокариотите и еукариотите не се различава - 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 структурата на гена в прокариоти (бактерии) -изображението е увеличено

В началото и в края на оперона има общи регулаторни региони 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 областисе синтезира един протеин. По този начин, Няколко протеинови молекули се синтезират от една i-RNA молекула.

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 забележимо отстранени 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 транскрипция и транслационни спрежения.

Ориз. 19 Феноменът на конюгиране на транскрипция и транслация при прокариоти - изображението е увеличено

Това сдвояване не се случва при еукариотите поради наличието на ядрена мембрана, 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.

Структурата на гените при еукариотите

Гените и хромозомите на еукариотите са много сложно организирани.

Бактериите от много видове 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 съдържат в множество копия. Гените и регулаторните последователности изграждат почти целия геном на прокариотите. Освен това, 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 области, 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 практически няма комбинация от гени в оперони и кодиращата последователност на еукариотен ген най-често се разделя на транслирани области. - екзонии непреведени секции - интрони.

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

Ориз. 16. Схема на структурата на гена в 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 интронните области и се образува зряла иРНК, от която може да се синтезира протеин.

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

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

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

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗА

мутациянаречена постоянна промяна в генотипа, тоест промяна в нуклеотидната последователност.

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

мутационна теорияе формулиран за първи път от Хю де Врис през 1903 г. Съвременната му версия включва следните разпоредби:

1. Мутациите възникват внезапно, рязко.

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. Разграничете мутациите, причинени от мутагенен въздействия: физични (напр. ултравиолетови лъчи или радиация), химични (напр. колхицин или реактивни кислородни видове) и биологични (напр. вируси). Могат да бъдат причинени и мутации репликационни грешки.

В зависимост от условията за възникване на 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 ДНК на митохондриите или пластидите. Съответно можем да разграничим ядрени цитоплазменмутации.

В резултат на появата на мутации често могат да се появят нови алели. Ако мутантният алел замени нормалния алел, мутацията се извиква доминантен. Ако нормалният алел потиска мутиралия, се нарича мутацията рецесивен. Повечето мутации, които пораждат нови алели, са рецесивни.

Мутациите се отличават по ефект адаптивен, което води до повишаване на адаптивността на организма към околната среда, неутраленкоито не влияят на оцеляването вреденкоито намаляват адаптивността на организмите към условията на околната среда и смъртоносенводещи до смърт на организма в ранните етапи на развитие.

Според последствията се разграничават мутации, водещи до загуба на белтъчна функция, мутации, водещи до възникване протеинът има нова функция, както и мутации, които промяна на дозата на ген, 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 мутацията се появи в друга клетка, тя се нарича соматични. Такава мутация може да се прояви до известна 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 потомството.

Мутациите могат да засегнат части от генома с различни размери. Разпределете генетични, хромозомнаи геномнамутации.

Генни мутации

Наричат ​​се мутации, които се появяват в мащаб, по-малък от един ген генетични, или пунктиран (пунктиран). Такива мутации водят до промяна в един или повече нуклеотиди в последователността. Генните мутации включватзамествания, което води до заместване на един нуклеотид с друг,изтриваниякоето 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. Мутационни схеми

Също така, според механизма на действие върху протеина, се изолират мутации, водещи до изместване на рамката показаниякато 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, т.е. броят на хромозомите се променя. Различава се полиплоидия - увеличаване на плоидията на клетката и анеуплоидия, тоест промяна в броя на хромозомите, например тризомия (наличие на допълнителен хомолог в една от хромозомите) и монозомия (липса на хомолог в хромозомата).

Видео, свързано с ДНК

ДНК РЕПЛИКАЦИЯ, РНК КОДИРАНЕ, СИНТЕЗ НА БЕЛТЪЦИ