Hromozomi Da biste nešto znali, morate nešto već znati. Stanislav Lem - Gubitak dijela hromozoma može imati fatalne posljedice - Hromozomi su kompaktan oblik skladištenja DNK - Dodatni hromozom može iskriviti život osobe - Hromozomi određuju spol

Hromozomi i spol U industriji zabave najuspješnija ideja bila je podjela ljudi na dva spola. Yanina

Dodatni X hromozomi Kada govore o hromozomskim seksualnim poremećajima kod ljudi u školi, učenici ponekad iznose čudnu hipotezu da bi dodatni X hromozom trebao uzrokovati rađanje "superžena" poput onih opisanih u skandinavskoj mitologiji

Da bi čitaocu bio jasniji daljnji narativ, prvo razmotrimo detaljnije kako je uređena ova čudna i misteriozna molekula DNK.

Dakle, DNK se sastoji od 4 azotne baze, kao i šećera (deoksiriboze) i fosforne kiseline. Dvije azotne baze (skraćeno C i T) pripadaju klasi takozvanih pirimidinskih baza, a druge dvije (A i G) pripadaju purinskim bazama. Ovo razdvajanje je zbog karakteristika njihovih struktura, koje su prikazane na Sl. jedan.

Rice. jedan. Struktura azotnih baza (elementarnih "slova") od kojih je izgrađena molekula DNK

Pojedinačne baze su povezane u lancu DNK šećerno-fosfatnim vezama. Ove veze su prikazane na sljedećoj slici (slika 2).

Rice. 2. Hemijska struktura DNK lanca

Sve je to odavno poznato. Ali detaljna struktura molekule DNK postala je jasna tek skoro 90 godina nakon čuvenog Mendelovog rada i otkrića Mieschera. 25. aprila 1953. u engleskom časopisu priroda Malo pismo uredniku časopisa objavili su mladi i tada malo poznati naučnici James Watson i Francis Crick. Počinjalo je riječima: „Željeli bismo iznijeti svoja razmišljanja o strukturi DNK soli. Ova struktura ima nova svojstva koja su od velikog biološkog interesa." Članak je sadržavao samo oko 900 riječi, ali - i to nije pretjerano - svaka od njih bila je zlata vrijedna.

A sve je počelo ovako. Godine 1951. na simpozijumu u Napulju Amerikanac Džejms Votson upoznaje Engleza Morisa Vilkinsa. Naravno, tada nisu mogli ni zamisliti da će kao rezultat ovog susreta postati nobelovci. U to vrijeme, Wilkins i njegova koleginica Rosalind Franklin vršili su analizu difrakcije rendgenskih zraka DNK na Univerzitetu u Kembridžu i utvrdili da je molekul DNK najvjerovatnije spirala. Nakon razgovora sa Wilkinsom, Watson se "zapalio" i odlučio proučiti strukturu nukleinskih kiselina. Preselio se u Cambridge, gdje je upoznao Francisa Cricka. Naučnici su odlučili da rade zajedno kako bi pokušali razumjeti kako DNK funkcionira. Radovi nisu počeli u vakuumu. Istraživači su već znali za postojanje dvije vrste nukleinskih kiselina (DNK i RNK), a znali su i od čega se one sastoje. Na raspolaganju su im bile fotografije analize difrakcije rendgenskih zraka koje je dobio R. Franklin. Osim toga, do tada je Erwin Chargaff formulirao vrlo važno pravilo, prema kojem je u DNK broj A uvijek jednak broju T, a broj G jednak broju C. I onda „igra uma“ radio. Rezultat ove "igre" bio je članak u časopisu Nature, u kojem su J. Watson i F. Crick opisali svoj teorijski model strukture molekule DNK. (Watson je tada imao manje od 25 godina, a Crick 37 godina). Prema njihovoj "naučnoj fantaziji", ipak zasnovanoj na određenim čvrsto utvrđenim činjenicama, molekul DNK bi se trebao sastojati od dva gigantska polimerna lanca. Jedinice svakog polimera se sastoje od nukleotidi: dezoksiriboza ugljikohidrat, ostatak fosforne kiseline i jedna od 4 dušične baze (A, G, T ili C). Redoslijed karika u lancu može biti bilo koji, ali ovaj slijed je striktno povezan sa redoslijedom karika u drugom (uparenom) polimernom lancu: nasuprot A bi trebao biti T, nasuprot T bi trebao biti A, nasuprot C bi trebao biti G, a nasuprot G bi trebao biti C ( pravilo komplementarnosti) (Sl. 3).

Rice. 3. Dijagram interakcije dva komplementarna lanca u molekuli DNK

Dva polimerna lanca su upletena u pravilnu dvostruku spiralu. Drže ih zajedno vodonične veze između parova baza (A-T i G-C) poput prečki na ljestvama. Iz tog razloga se kaže da su dva lanca DNK komplementarna. Za prirodu to nije iznenađujuće. Postoji mnogo primjera komplementarnosti. Komplementarni su, na primjer, drevni kineski simboli "jin" i "jang", utičnice i igle utikača.

Dvostruka spirala DNK je shematski prikazana na sl. 4. Izvana, podsjeća na ljestve od užeta, uvijene u desnu spiralu. Stepenice u ovoj ljestvici su parovi nukleotida, a "bočni zidovi" koji ih povezuju sastoje se od šećerno-fosfatne kičme.

Rice. četiri. Čuvena dvostruka spirala DNK a - rendgenski snimak DNK koji je dobio R. Franklin, koji je pomogao Watsonu i Cricku da pronađu ključ za strukturu dvostruke spirale DNK; b - Šematski prikaz dvolančane DNK molekule

Tako je otkrivena čuvena "dvostruka spirala". Ako se sekvenca veza (nukleotida) u DNK smatra njenom primarnom strukturom, onda je dvostruka spirala već sekundarna struktura DNK. Model “duple helix” koji su predložili Watson i Crick elegantno je riješio ne samo problem kodiranja informacija, već i problem umnožavanja (replikacije) gena.

Godine 1962. J. Watson, F. Crick i Maurice Wilkins dobili su Nobelovu nagradu za ovo dostignuće. A DNK se naziva najvažnijim molekulom žive prirode. U svemu tome, naravno, tačne informacije o strukturi DNK odigrale su ulogu, ali ne u manjoj mjeri, „vizionarska“ konstrukcija složene prostorne strukture, koja je od istraživača zahtijevala ne samo logiku, već i kreativnu maštu – kvalitetu. svojstvena umjetnicima, piscima i pjesnicima. "Ovdje u Kembridžu, možda najistaknutiji događaj u biologiji od kada se dogodila Darwinova knjiga - Votson i Krik su otkrili strukturu gena!" - pisao je tada Nielsu Boru u Kopenhagenu, njegov bivši učenik M. Delbrück. Čuveni španski umjetnik Salvador Dali, nakon otkrića dvostruke spirale, rekao je da je to za njega dokaz postojanja Boga, te je prikazao DNK na jednoj od svojih slika.

Dakle, intenzivno razmišljanje koje su preduzeli naučnici bio je pun pogodak! Na istorijskom nivou, otkriće strukture DNK je uporedivo sa otkrićem strukture atoma. Ako je razjašnjenje strukture atoma dovelo do pojave kvantne fizike, onda je otkriće strukture DNK dovelo do molekularne biologije.

Šta se pokazalo kao glavni fizički parametri ljudske DNK - ovog glavnog molekula? Prečnik dvostruke spirale je 2 nanometra (1 nm = 10-9 m); rastojanje između susednih parova baza (“koraci”) je 0,34 nm; jedan zavoj spirale se sastoji od 10 parova baza. Slijed parova nukleotida u DNK je nepravilan, ali su sami parovi raspoređeni u molekulu kao u kristalu. To je dalo osnovu da se molekul DNK okarakteriše kao linearni aperiodični kristal. Broj pojedinačnih molekula DNK u ćeliji jednak je broju hromozoma. Dužina takvog molekula u najvećem ljudskom hromozomu 1 je oko 8 cm. Ovakvi džinovski polimeri još nisu pronađeni ni u prirodi ni među umjetno sintetiziranim kemijskim spojevima. Kod ljudi, dužina svih molekula DNK sadržanih u svim hromozomima jedne ćelije je približno 2 metra. Stoga je dužina molekula DNK milijardu puta veća od njihove debljine. Budući da se tijelo odrasle osobe sastoji od otprilike 5x1013 - 1014 ćelija, ukupna dužina svih molekula DNK u tijelu je 1011 km (ovo je skoro hiljadu puta više od udaljenosti od Zemlje do Sunca). Evo ga, ukupni DNK samo jedne osobe!

Kada se govori o veličini genoma, misli se na ukupan sadržaj DNK u jednom setu hromozoma jezgra. Takav skup hromozoma naziva se haploidni. Činjenica je da većina stanica u našem tijelu sadrži dvostruki (diploidni) skup potpuno istih hromozoma (samo kod muškaraca 2 polna hromozoma se razlikuju). Mjerenja veličine genoma su data u daltonima, parovima baza (bp) ili pikogramima (pg). Omjer između ovih mjernih jedinica je sljedeći: 1 pg = 10-9 mg = 0,6x1012 daltona = 0,9x109 p. (u nastavku ćemo uglavnom koristiti a.s.). Haploidni ljudski genom sadrži oko 3,2 milijarde bp, što je jednako 3,5 pg DNK. Dakle, jezgro jedne ljudske ćelije sadrži oko 7 pg DNK. S obzirom da je prosječna težina ljudske ćelije oko 1000 pg, lako je izračunati da DNK čini manje od 1% težine ćelije. Pa ipak, da bi se u najmanju ruku (kao u telefonskim imenicima) reprodukovale ogromne informacije koje se nalaze u molekulima DNK jedne naše ćelije, bilo bi potrebno hiljadu knjiga od po 1000 stranica! Ovo je puna veličina ljudskog genoma - Enciklopedija, napisana u četiri slova.

Ali ne treba misliti da je ljudski genom najveći od svih postojećih u prirodi. Na primjer, kod daždevnjaka i ljiljana dužina molekula DNK sadržanih u jednoj ćeliji je trideset puta veća nego kod ljudi.

Budući da su DNK molekuli gigantske veličine, mogu se izolirati i vidjeti čak i kod kuće. Evo kako je ovaj jednostavan postupak opisan u preporuci za krug Mladi genetičar. Prvo morate uzeti bilo koje tkivo životinjskih ili biljnih organizama (na primjer, jabuku ili komadić piletine). Zatim morate iseći tkaninu na komade i staviti 100 g u običan mikser. Nakon dodavanja 1/8 kašičice soli i 200 ml hladne vode, cela smesa se muti mikserom 15 sekundi. Zatim se umućena smesa filtrira kroz cediljku. U dobijenu kašu dodajte 1/6 njene količine (biće oko 2 kašike) deterdženta (na primer za suđe) i dobro promešajte. Nakon 5-10 minuta tečnost se sipa u epruvete ili bilo koje druge staklene posude tako da se u svaku od njih ne napuni više od trećine zapremine. Zatim se dodaje malo ili soka od ananasa ili rastvora koji se koristi za čuvanje kontaktnih sočiva. Sav sadržaj je protresen. To se mora učiniti vrlo oprezno, jer ako se previše trese, tada će se divovski molekuli DNK slomiti i nakon toga ništa neće biti vidljivo očima. Zatim se u epruvetu polako sipa jednaka zapremina etanola tako da formira sloj na vrhu smeše. Ako nakon toga uvrnete staklenu šipku u epruveti, na nju se „namota“ viskozna i gotovo bezbojna masa, koja je DNK preparat.

| |
DNK je molekularna osnova genomaGenetska gramatika

DNK je univerzalni izvor i čuvar nasljednih informacija koje se bilježe posebnim nizom nukleotida; ona određuje svojstva svih živih organizama.

Pretpostavlja se da je prosječna molekularna težina nukleotida 345, a broj nukleotidnih ostataka može doseći nekoliko stotina, hiljada, pa čak i miliona. DNK se uglavnom nalazi u jezgrima ćelija. Malo se nalazi u hloroplastima i mitohondrijima. Međutim, DNK ćelijskog jezgra nije jedan molekul. Sastoji se od mnogo molekula koji su raspoređeni po različitim hromozomima, njihov broj varira u zavisnosti od organizma. Ovo je struktura DNK.

Istorija otkrića DNK

Strukturu i funkciju DNK otkrili su James Watson i Francis Crick, a čak su dobili i Nobelovu nagradu 1962. godine.

Ali po prvi put, švicarski naučnik Friedrich Johann Miescher, koji je radio u Njemačkoj, otkrio je nukleinske kiseline. Godine 1869. proučavao je životinjske ćelije - leukocite. Da ih dobije, koristio je zavoje sa gnojem koje je dobijao iz bolnica. Misher je isprao leukocite iz gnoja i izolovao protein iz njih. Tokom ovih istraživanja naučnik je uspeo da ustanovi da pored proteina u leukocitima postoji još nešto, u to vreme nepoznata supstanca. Bio je to filamentasti ili ljuskavi talog koji se isticao ako je stvorena kisela sredina. Talog se odmah rastvorio nakon dodavanja lužine.

Koristeći mikroskop, naučnik je otkrio da kada se leukociti isperu hlorovodoničnom kiselinom, jezgra ostaju iz ćelija. Tada je zaključio da se u jezgru nalazi nepoznata supstanca koju je nazvao nuklein (reč nukleus u prevodu znači jezgro).

Nakon hemijske analize, Misher je otkrio da nova tvar u svom sastavu ima ugljik, vodonik, kisik i fosfor. U to vrijeme bilo je poznato nekoliko organofosfornih spojeva, pa je Friedrich mislio da je otkrio novu klasu spojeva pronađenih u ćelijskom jezgru.

Tako je u 19. veku otkriveno postojanje nukleinskih kiselina. Međutim, tada niko nije mogao ni da pomisli kakvu su važnu ulogu odigrali.

Supstanca nasledstva

Struktura DNK je nastavila da se istražuje, a 1944. godine grupa bakteriologa na čelu sa Osvaldom Averijem dobila je dokaze da ovaj molekul zaslužuje ozbiljnu pažnju. Naučnik već dugi niz godina proučava pneumokoke, organizme koji uzrokuju upalu pluća ili bolesti pluća. Avery je provodio eksperimente miješajući pneumokoke koji uzrokuju bolest s onima koji su sigurni za žive organizme. Prvo su ubijane ćelije koje su izazivale bolesti, a zatim su im dodavane one koje nisu uzrokovale bolesti.

Rezultati istraživanja zadivili su sve. Postojale su takve žive ćelije koje su, nakon interakcije sa mrtvima, naučile da izazivaju bolest. Naučnik je otkrio prirodu supstance koja je uključena u proces prenošenja informacija živim ćelijama od mrtvih. Ispostavilo se da je molekul DNK ova supstanca.

Struktura

Dakle, potrebno je razumjeti kakvu strukturu ima molekul DNK. Otkriće njegove strukture bilo je značajan događaj, dovelo je do formiranja molekularne biologije - nove grane biohemije. DNK se nalazi u velikim količinama u jezgri ćelija, ali veličina i broj molekula zavise od vrste organizma. Utvrđeno je da jezgra ćelija sisara sadrže mnogo ovih ćelija, raspoređene su po hromozomima, ima ih 46.

Proučavajući strukturu DNK, 1924. godine Felgen je prvi ustanovio njenu lokalizaciju. Dokazi dobijeni tokom eksperimenata su pokazali da se DNK nalazi u mitohondrijima (1-2%). Na drugim mjestima, ovi molekuli se mogu naći tokom virusne infekcije, u bazalnim tijelima, kao i u jajima nekih životinja. Poznato je da što je organizam složeniji, to je veća masa DNK. Broj molekula u ćeliji zavisi od funkcije i obično je 1-10%. Najmanje ih je u miocitima (0,2%), više - u zametnim ćelijama (60%).

Struktura DNK pokazala je da su u hromozomima viših organizama povezani sa jednostavnim proteinima - albuminima, histonima i drugim, koji zajedno tvore DNP (deoksiribonukleoprotein). Obično je veliki molekul nestabilan, a da bi ostao netaknut i nepromijenjen tokom evolucije, stvoren je takozvani sistem popravke koji se sastoji od enzima - ligaza i nukleaza odgovornih za "popravku" molekula.

Hemijska struktura DNK

DNK je polimer, polinukleotid, koji se sastoji od ogromnog broja (do desetina hiljada miliona) mononukleotida. Struktura DNK je sljedeća: mononukleotidi sadrže dušične baze - citozin (C) i timin (T) - iz derivata pirimidina, adenin (A) i gvanin (G) - iz derivata purina. Pored azotnih baza, ljudska i životinjska molekula sadrži 5-metilcitozin, manju pirimidinsku bazu. Dušične baze se vezuju za fosfornu kiselinu i dezoksiribozu. Struktura DNK je prikazana ispod.

Chargaff pravila

Strukturu i biološku ulogu DNK proučavao je E. Chargaff 1949. godine. U toku svog istraživanja otkrio je obrasce koji se uočavaju u kvantitativnoj distribuciji azotnih baza:

1. ∑T + C \u003d ∑A + G (to jest, broj pirimidinskih baza jednak je broju purina).
2. Broj ostataka adenina je uvijek jednak broju ostataka timina, a količina gvanina jednaka je citozinu.
3. Koeficijent specifičnosti ima formulu: G+C/A+T. Na primjer, kod ljudi je 1,5, kod bika je 1,3.
4. Zbir "A + C" jednak je zbiru "G + T", odnosno, adenina i citozina ima onoliko koliko ima gvanina i timina.

Model strukture DNK

Kreirali su ga Watson i Crick. Ostaci fosfata i dezoksiriboza nalaze se duž grebena dva polinukleotidna lanca uvijena na spiralni način. Utvrđeno je da su planarne strukture pirimidinskih i purinskih baza smještene okomito na os lanca i formiraju, takoreći, stepenice ljestvi u obliku spirale. Takođe je utvrđeno da je A uvek povezan sa T sa dve vodonične veze, dok je G vezan za C sa tri iste veze. Ovaj fenomen je dobio naziv "princip selektivnosti i komplementarnosti".

Nivoi strukturne organizacije

Polinukleotidni lanac savijen poput spirale je primarna struktura koja ima određeni kvalitativni i kvantitativni skup mononukleotida povezanih 3',5'-fosfodiesterskom vezom. Dakle, svaki od lanaca ima 3' kraj (deoksiriboza) i 5' kraj (fosfat). Regije koje sadrže genetske informacije nazivaju se strukturnim geni.

Molekula dvostruke spirale je sekundarna struktura. Štaviše, njegovi polinukleotidni lanci su antiparalelni i povezani su vodoničnim vezama između komplementarnih baza lanaca. Utvrđeno je da svaki zavoj ove spirale sadrži 10 nukleotidnih ostataka, čija je dužina 3,4 nm. Ova struktura je također podržana silama van der Waalsove interakcije koje se uočavaju između baza istog lanca, uključujući odbojne i privlačne komponente. Ove sile se objašnjavaju interakcijom elektrona u susjednim atomima. Elektrostatička interakcija također stabilizira sekundarnu strukturu. Javlja se između pozitivno nabijenih histonskih molekula i negativno nabijenog DNK lanca.

Tercijarna struktura je namotavanje lanaca DNK oko histona ili supersmotanje. Opisano je pet tipova histona: H1, H2A, H2B, H3, H4.

Preklapanje nukleozoma u hromatin je kvartarna struktura, tako da se molekul DNK dugačak nekoliko centimetara može saviti do 5 nm.

Funkcije DNK

Glavne funkcije DNK su:

1. Čuvanje nasljednih informacija. Redoslijed aminokiselina u molekulu proteina određen je redoslijedom kojim se nukleotidni ostaci nalaze u molekulu DNK. Takođe kodira sve informacije o svojstvima i karakteristikama organizma.
2. DNK je sposoban prenijeti nasljedne informacije sljedećoj generaciji. To je moguće zbog sposobnosti repliciranja - samo-udvostručavanja. DNK je u stanju da se razbije na dva komplementarna lanca, a na svakom od njih (u skladu sa principom komplementarnosti) se obnavlja originalna nukleotidna sekvenca.
3. Uz pomoć DNK dolazi do biosinteze proteina, enzima i hormona.

Zaključak

Struktura DNK joj omogućava da bude čuvar genetskih informacija, kao i da ih prenosi na sljedeće generacije. Koje su karakteristike ovog molekula?

1. Stabilnost. To je moguće zahvaljujući glikozidnim, vodoničnim i fosfodiestarskim vezama, kao i mehanizmu popravljanja izazvanih i spontanih oštećenja.
2. Sposobnost replikacije. Ovaj mehanizam omogućava somatskim ćelijama da održe diploidni broj hromozoma.
3. Postojanje genetskog koda. Uz pomoć procesa translacije i transkripcije, sekvenca baza pronađenih u DNK se pretvara u sekvencu aminokiselina koje se nalaze u polipeptidnom lancu.
4. Sposobnost genetske rekombinacije. U tom slučaju nastaju nove kombinacije gena koje su međusobno povezane.

Dakle, struktura i funkcije DNK joj omogućavaju da igra neprocjenjivu ulogu u organizmima živih bića. Poznato je da je dužina 46 molekula DNK u svakoj ljudskoj ćeliji skoro 2 m, a broj parova nukleotida 3,2 milijarde.

Deoksiribonukleinska kiselina (DNK) je nukleinska kiselina prisutna u svakom organizmu i svakom živom organizmu, uglavnom u njegovom jezgru, koja sadrži dezoksiribozu kao šećer i adenin, gvanin, citozin i timin kao azotne baze. Ima veoma važnu biološku ulogu, čuva i prenosi genetske informacije o strukturi, razvoju i individualnim karakteristikama bilo koje organizam. DNK preparati se mogu dobiti iz različitih tkiva životinja i biljaka, kao i od bakterija i DNK koji sadrže.

DNK je biopolimer koji se sastoji od mnogih monomera - deoksiribonukleotida, povezanih preko ostataka fosforne kiseline u određenom nizu specifičnom za svaku pojedinačnu DNK. Jedinstvena sekvenca deoksiribonukleotida u datoj molekuli DNK je kodni zapis bioloških informacija. Dva takva polinukleotidna lanca formiraju dvostruku spiralu u molekuli DNK (vidi sliku 1), u kojoj su komplementarne baze - adenin (A) sa timinom (T) i gvanin (G) sa citozinom (C) - povezane jedna s drugom pomoću vodonične veze, veze i takozvane hidrofobne interakcije. Takva karakteristična struktura određuje ne samo biološka svojstva DNK, već i njene fizičko-hemijske karakteristike.

Kliknite na sliku za uvećanje:

Rice. 1. Šema dvostruke spirale molekula DNK (Watson i Crick model): A - adenin; T - timin; G - gvanin; C - citozin; D - deoksiriboza; F - fosfat

Veliki broj fosfatnih ostataka čini DNK jakom polibazičnom kiselinom (polianionom), koja je prisutna u tkivima u obliku soli. Prisustvo purinskih i pirimidinskih baza uzrokuje intenzivnu apsorpciju ultraljubičastih zraka sa maksimumom na talasnoj dužini od oko 260 mikrona. Kada se rastvori DNK zagreju, veza između parova baza slabi i na određenoj temperaturi karakterističnoj za datu DNK (obično 80 - 90°), dva polinukleotidna lanca se odvajaju jedan od drugog (taljenje, ili denaturacija DNK).

Nativni molekuli DNK imaju vrlo visoku molarnu masu - do stotine miliona. Samo u mitohondrijima, kao i kod nekih virusa i bakterija, molarna masa DNK je znatno manja; u ovim slučajevima, molekuli DNK imaju kružnu (ponekad, na primjer, u ∅X174 fagu, jednolančanu) ili, rjeđe, linearnu strukturu. U ćelijskom jezgru DNK se nalazi uglavnom u obliku DNK proteina - kompleksa sa (uglavnom histonima) koji formiraju karakteristične nuklearne strukture - hromozome i hromatin. Kod jedinke ove vrste, jezgro svake somatske ćelije (diploidna telesna ćelija) sadrži konstantnu količinu DNK; u jezgrama zametnih ćelija (haploidnih) je upola manje. U poliploidiji, količina DNK je veća i proporcionalna je ploidnosti. Tokom diobe ćelije, količina DNK se udvostručuje u interfazi (u tzv. sintetičkom, ili “S” periodu, između G1 i G2 perioda). Proces umnožavanja (replikacije) DNK sastoji se u odvijanju dvostruke spirale i sintezi novog komplementarnog lanca na svakom polinukleotidnom lancu. Dakle, svaki od dva nova molekula DNK, identičan starom molekulu, sadrži jedan stari i jedan novosintetizirani polinukleotidni lanac.

Biosinteza DNK odvija se iz slobodnih nukleozid trifosfata bogatih energijom pod djelovanjem enzima DNK polimeraze. Prvo se sintetiziraju mali dijelovi polimera koji se zatim spajaju u duže lance pod djelovanjem enzima DNK ligaze. Izvan tijela, biosinteza DNK odvija se u prisustvu sva 4 tipa deoksiribonukleozid trifosfata, odgovarajućih enzima i DNK – šablona na kojem se sintetiše komplementarna nukleotidna sekvenca. američko naučnik, biohemičar Arthur Kornberg, koji je prvi izveo ovu reakciju 1967. godine, uspio je dobiti biološki aktivnu DNK virusa enzimskom sintezom izvan tijela. Indijski i američki molekularni biolog Har Gobind Korana je 1968. godine kemijski sintetizirao polideoksiribonukleotid koji odgovara strukturnom genu (cistronu) DNK.

DNK takođe služi kao šablon za sintezu ribonukleinskih kiselina (RNA), čime se određuje njihova primarna struktura (transkripcija). Preko glasničke RNK (i-RNA) vrši se translacija - sinteza specifičnih proteina čiju strukturu daje DNK u obliku specifične nukleotidne sekvence. Dakle, ako RNK prenosi biološku informaciju, "zabilježenu" u molekulima DNK, na sintetizirane molekule proteina, tada DNK zadržava te informacije i prenosi ih naslijeđem. Ovu ulogu DNK dokazuje činjenica da je pročišćena DNK jednog soja bakterija sposobna prenijeti na drugi soj karakteristike karakteristične za soj donora, kao i činjenica da je DNK virusa koji je živio u latentnom stanju u bakterijama jednog soja može prenijeti dijelove DNK ovih bakterija na drugi soj kada je inficiran ovim virusom i reproducirati odgovarajuće karakteristike u soju primatelja. Dakle, nasljedne sklonosti (geni) su materijalno utjelovljene u određenom nizu nukleotida u dijelovima molekule DNK i mogu se prenositi s jedne osobe na drugu zajedno s tim dijelovima. Nasljedne promjene u organizmima (mutacije) povezane su s promjenom, gubitkom ili uključivanjem dušičnih baza u polinukleotidne lance DNK i mogu biti uzrokovane fizičkim ili kemijskim utjecajima.

Razjašnjavanje strukture molekula DNK i njihova promjena način je dobivanja nasljednih promjena kod životinja, biljaka i mikroorganizama, kao i korekcije nasljednih mana. (sovjetski i ruski naučnik, biohemičar, akademik Ruske akademije medicinskih nauka, profesor Ilja Borisovič Zbarski (26. oktobar 1913, Kamenec-Podolski - 9. novembar 2007, Moskva))

Godine 1977. engleski biohemičar Frederick Sanger predložio je metodu za dešifriranje primarne strukture DNK, zasnovanu na enzimskoj sintezi visoko radioaktivne komplementarne sekvence DNK na proučavanoj jednolančanoj DNK kao šabloni. Kao rezultat istraživanja u oblasti nukleinskih kiselina 1980. godine, Sanger i Amerikanac W. Gilbert dobili su pola Nobelove nagrade "za doprinos određivanju sekvence baza u nukleinskim kiselinama". Druga polovina nagrade dodijeljena je Amerikancu P. Bergu.

U običnom životu (tj. ne u nauci) DNK se koristi za utvrđivanje očinstva i identifikaciju osobe kada je u slučaju oštećenja na tijelu (nesreća, požar i sl.) nemoguće identificirati tijelo prema vanjskim podacima i ostacima.

10. septembra 1984. otkrivena je jedinstvenost DNK - "genetski otisci prstiju".

U tijelu običnog čovjeka ima dovoljno DNK da se proteže od Sunca do Plutona i nazad nevjerovatnih 17 puta! Ljudski genom (genetski kod u svakoj ljudskoj ćeliji) sadrži 23 DNK molekula (nazvanih hromozomima), od kojih svaki sadrži 500.000 do 2,5 miliona baznih parova. Molekuli DNK ove veličine dugi su 1,7 do 8,5 cm kada se odmotaju – u prosjeku oko 5 cm. Svako od nas dijeli 99% naše DNK sa svakom drugom osobom. Mnogo smo sličniji nego različiti.

Više o DNK u literaturi:

• Hemija i biohemija nukleinskih kiselina, priredili I. B. Zbarsky i Sergey Sergeevich Debov, L., 1968;
• Nukleinske kiseline, prevod sa engleskog, priredio I. B. Zbarsky, M., 1966;
• James Watson. Molekularna biologija gena, trans. sa engleskog, M., 1967;
• Davidson J., Biohemija nukleinskih kiselina, trans. s engleskog, priredio Andrej Nikolajevič Belozerski, Moskva, 1968. I. B. Zbarsky;
• Alberts B., Bray D., Lewis J. i dr. Molekularna biologija ćelije u 3 toma. - M.: Mir, 1994. - 1558 str. - ISBN 5-03-001986-3;
• Dawkins R. Sebični gen. - M.: Mir, 1993. - 318 str. - ISBN 5-03-002531-6;
• Istorija biologije od početka 20. veka do danas. - M.: Nauka, 1975. - 660 str.;
• Lewin B. Genes. - M.: Mir, 1987. - 544 str.;
• Ptashne M. Prebacivanje gena. Regulacija aktivnosti gena i lambda faga. - M.: Mir, 1989. - 160 str.;
• Watson JD Dvostruka spirala: Memoari o otkriću strukture DNK. - M.: Mir, 1969. - 152 str.

Na temu članka:

Pronađite još nešto zanimljivo:

Desno je najveća ljudska DNK spirala napravljena od ljudi na plaži u Varni (Bugarska), koja je uvrštena u Ginisovu knjigu rekorda 23. aprila 2016.

Dezoksiribonukleinska kiselina. Opće informacije

DNK (deoksiribonukleinska kiselina) je svojevrsni nacrt života, složeni kod koji sadrži podatke o nasljednim informacijama. Ova složena makromolekula je sposobna pohranjivati ​​i prenositi nasljedne genetske informacije s generacije na generaciju. DNK određuje svojstva svakog živog organizma kao što su nasljednost i varijabilnost. Informacije koje su u njemu kodirane određuju cjelokupni razvojni program bilo kojeg živog organizma. Genetski ugrađeni faktori predodređuju cjelokupni tok života kako osobe tako i bilo kojeg drugog organizma. Veštački ili prirodni uticaj spoljašnje sredine može samo neznatno uticati na ukupnu težinu pojedinih genetskih osobina ili uticati na razvoj programiranih procesa.

Dezoksiribonukleinska kiselina(DNK) je makromolekula (jedna od tri glavna, druga dva su RNK i proteini), koja obezbjeđuje skladištenje, prijenos s generacije na generaciju i implementaciju genetskog programa za razvoj i funkcioniranje živih organizama. DNK sadrži informacije o strukturi različitih tipova RNK i proteina.

U eukariotskim ćelijama (životinje, biljke i gljive) DNK se nalazi u jezgri ćelije kao dio hromozoma, kao iu nekim ćelijskim organelama (mitohondrije i plastide). U ćelijama prokariotskih organizama (bakterija i arheja) kružna ili linearna molekula DNK, takozvani nukleoid, vezan je iznutra za ćelijsku membranu. Oni i niži eukarioti (na primjer, kvasac) također imaju male autonomne, uglavnom kružne DNK molekule zvane plazmidi.

Sa hemijske tačke gledišta, DNK je duga polimerna molekula koja se sastoji od blokova koji se ponavljaju - nukleotida. Svaki nukleotid se sastoji od azotne baze, šećera (deoksiriboze) i fosfatne grupe. Veze između nukleotida u lancu formiraju deoksiriboza ( OD) i fosfat ( F) grupe (fosfodiestarske veze).

Rice. 2. Nuklertid se sastoji od azotne baze, šećera (deoksiriboze) i fosfatne grupe

U ogromnoj većini slučajeva (osim nekih virusa koji sadrže jednolančanu DNK), makromolekula DNK se sastoji od dva lanca orijentirana dušičnim bazama jedan prema drugom. Ovaj dvolančani molekul je uvrnut u spiralu.

Postoje četiri vrste azotnih baza koje se nalaze u DNK (adenin, gvanin, timin i citozin). Dušične baze jednog od lanaca povezane su sa dušičnim bazama drugog lanca vodoničnim vezama prema principu komplementarnosti: adenin se kombinuje samo sa timinom ( A-T), gvanin - samo sa citozinom ( G-C). Upravo ovi parovi čine "prečke" spiralnih "merdevina" DNK (vidi: slike 2, 3 i 4).

Rice. 2. Azotne baze

Niz nukleotida vam omogućava da "kodirate" informacije o različitim tipovima RNK, od kojih su najvažnije informacije ili šablon (mRNA), ribosomalna (rRNA) i transportna (tRNA). Sve ove vrste RNK se sintetiziraju na DNK šablonu kopiranjem DNK sekvence u RNK sekvencu sintetiziranu tokom transkripcije i učestvuju u biosintezi proteina (procesu translacije). Osim kodirajućih sekvenci, ćelijska DNK sadrži sekvence koje obavljaju regulatorne i strukturne funkcije.

Rice. 3. Replikacija DNK

Položaj osnovnih kombinacija DNK hemijskih jedinjenja i kvantitativni odnosi između ovih kombinacija omogućavaju kodiranje naslednih informacija.

Obrazovanje nova DNK (replikacija)

1. Proces replikacije: odmotavanje dvostruke spirale DNK - sinteza komplementarnih lanaca pomoću DNK polimeraze - formiranje dva molekula DNK iz jednog.
2. Dvostruka spirala se "otključa" u dvije grane kada enzimi razbiju vezu između osnovnih parova kemijskih spojeva.
3. Svaka grana je novi DNK element. Novi bazni parovi se povezuju istim redoslijedom kao u roditeljskoj grani.

Po završetku duplikacije formiraju se dva nezavisna spirala, stvorena od hemijskih jedinjenja roditeljske DNK i sa istim genetskim kodom. Na ovaj način, DNK je u stanju da razbije informacije od ćelije do ćelije.

Detaljnije informacije:

STRUKTURA NUKLEINSKIH KISELINE

Rice. četiri . Azotne baze: adenin, gvanin, citozin, timin

Dezoksiribonukleinska kiselina(DNK) se odnosi na nukleinske kiseline. Nukleinske kiseline je klasa nepravilnih biopolimera čiji su monomeri nukleotidi.

NUKLEOTIDI sastoji se od azotna baza, povezan sa petougljičnim hidratom (pentozom) - deoksiriboza(u slučaju DNK) ili riboza(u slučaju RNK), koji se kombinuje sa ostatkom fosforne kiseline (H 2 PO 3 -).

Azotne baze Postoje dvije vrste: pirimidinske baze - uracil (samo u RNK), citozin i timin, purinske baze - adenin i gvanin.

Rice. 5. Struktura nukleotida (levo), lokacija nukleotida u DNK (dole) i tipovi azotnih baza (desno): pirimidin i purin

Atomi ugljika u molekuli pentoze su numerisani od 1 do 5. Fosfat se kombinuje sa trećim i petim atomom ugljenika. Ovako se nukleinske kiseline povezuju kako bi formirale lanac nukleinskih kiselina. Dakle, možemo izolirati 3' i 5' krajeve DNK lanca:

Rice. 6. Izolacija 3' i 5' krajeva DNK lanca

Formiraju se dva lanca DNK dvostruka spirala. Ovi lanci u spirali su orijentisani u suprotnim smjerovima. U različitim lancima DNK, azotne baze su međusobno povezane pomoću vodonične veze. Adenin se uvek kombinuje sa timinom, a citozin se uvek kombinuje sa gvaninom. To se zove pravilo komplementarnosti.

Pravilo komplementarnosti:

Na primjer, ako nam se da lanac DNK koji ima sekvencu

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

tada će mu drugi lanac biti komplementaran i usmjeren u suprotnom smjeru - od 5'-kraja do 3'-kraja:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Rice. 7. Pravac lanaca molekula DNK i veza azotnih baza pomoću vodoničnih veza

DNK REPLIKACIJA

DNK replikacija je proces udvostručavanja molekule DNK sintezom šablona. U većini slučajeva prirodna replikacija DNKprajmerza sintezu DNK je kratki isječak (ponovo kreiran). Takav ribonukleotidni prajmer stvara enzim primaza (DNK primaza kod prokariota, DNK polimeraza kod eukariota), a zatim ga zamjenjuje deoksiribonukleotidna polimeraza, koja normalno obavlja funkcije popravke (ispravlja hemijska oštećenja i lomove u molekuli DNK).

Replikacija se događa na polukonzervativan način. To znači da se dvostruka spirala DNK odmotava i na svakom njenom lancu se završava novi lanac prema principu komplementarnosti. Molekul DNK-kćerke tako sadrži jedan lanac iz roditeljskog molekula i jedan novosintetizovan. Replikacija se događa u smjeru od 3' do 5' roditeljskog lanca.

Rice. 8. Replikacija (udvostručavanje) molekula DNK

DNK sinteza- ovo nije tako komplikovan proces kao što se može činiti na prvi pogled. Ako razmislite o tome, onda prvo morate shvatiti šta je sinteza. To je proces spajanja nečega. Formiranje nove molekule DNK odvija se u nekoliko faza:

1) DNK topoizomeraza, koja se nalazi ispred viljuške za replikaciju, seče DNK kako bi olakšala njeno odmotavanje i odmotavanje.
2) DNK helikaza, nakon topoizomeraze, utiče na proces "odmotavanja" spirale DNK.
3) Proteini koji se vezuju za DNK vrše vezivanje lanaca DNK, a takođe vrše njihovu stabilizaciju, sprečavajući da se lepe jedan za drugi.
4) DNK polimeraza δ(delta) , koordiniran sa brzinom kretanja viljuške za replikaciju, vrši sintezuvodećilancima podružnica DNK u pravcu 5" → 3" na matrici majčinski niti DNK u pravcu od njenog kraja od 3" do kraja od 5" (brzina do 100 parova baza u sekundi). Ovi događaji o ovome majčinski lanci DNK su ograničeni.

Rice. 9. Šematski prikaz procesa replikacije DNK: (1) Zaostali lanac (lag lanac), (2) Vodeći lanac (vodeći lanac), (3) DNK polimeraza α (Polα), (4) DNK ligaza, (5) RNK -prajmer, (6) primaza, (7) Okazaki fragment, (8) DNK polimeraza δ (Polδ ), (9) helikaza, (10) jednolančani DNK-vezujući proteini, (11) topoizomeraza.

Sinteza zaostale kćerke DNK lanca je opisana u nastavku (vidi dolje). shema viljuška replikacije i funkcija replikacijskih enzima)

Za više informacija o replikaciji DNK, pogledajte

5) Odmah nakon odmotavanja i stabilizacije drugog lanca matičnog molekula, on se spajaDNK polimeraza α(alfa)a u pravcu 5 "→3" sintetiše prajmer (RNA prajmer) - RNA sekvencu na DNK šablonu dužine od 10 do 200 nukleotida. Nakon toga, enzimuklonjen iz DNK lanca.

Umjesto DNK polimerazaα pričvršćen na 3" kraj prajmera DNK polimerazaε .

6) DNK polimerazaε (epsilon) kao da nastavlja da produžava prajmer, ali kao podloga ugrađujedeoksiribonukleotidi(u količini od 150-200 nukleotida). Kao rezultat toga, čvrsta nit se formira iz dva dijela -RNA(tj. prajmer) i DNK. DNK polimeraza εradi sve dok ne naiđe na prajmer prethodnogfragment Okazaki(sintetizovano malo ranije). Ovaj enzim se zatim uklanja iz lanca.

7) DNK polimeraza β(beta) stoji umjestoDNK polimeraze ε,kreće se u istom smjeru (5" → 3") i uklanja prajmer ribonukleotide dok na njihovo mjesto ubacuje deoksiribonukleotide. Enzim djeluje do potpunog uklanjanja prajmera, tj. sve do dezoksiribonukleotida (čak i ranije sintetizovanogDNK polimeraza ε). Enzim nije u stanju da poveže rezultat svog rada i DNK ispred, pa napušta lanac.

Kao rezultat toga, fragment kćerke DNK "leži" na matrici matične niti. To se zovefragment Okazakija.

8) DNK ligaza ligira dva susedna fragmenti Okazaki , tj. 5"-kraj segmenta, sintetiziranDNK polimeraza ε,i 3" kraj lanca ugrađenDNK polimerazaβ .

STRUKTURA RNK

Ribonukleinska kiselina(RNA) je jedna od tri glavne makromolekule (druge dvije su DNK i proteini) koje se nalaze u stanicama svih živih organizama.

Baš kao i DNK, RNK se sastoji od dugog lanca u kojem se naziva svaka karika nukleotida. Svaki nukleotid se sastoji od azotne baze, riboze šećera i fosfatne grupe. Međutim, za razliku od DNK, RNK obično ima jedan, a ne dva lanca. Pentozu u RNK predstavlja riboza, a ne deoksiriboza (riboza ima dodatnu hidroksilnu grupu na drugom atomu ugljikohidrata). Konačno, DNK se razlikuje od RNK po sastavu azotnih baza: umjesto timina ( T) uracil je prisutan u RNK ( U) , koji je takođe komplementaran adeninu.

Niz nukleotida omogućava RNK da kodira genetske informacije. Svi ćelijski organizmi koriste RNK (mRNA) za programiranje sinteze proteina.

Ćelijske RNK se formiraju u procesu tzv transkripcija , odnosno sinteza RNK na DNK šablonu, koju provode posebni enzimi - RNA polimeraze.

Messenger RNA (mRNA) tada učestvuju u procesu tzv emitovanje, one. sinteza proteina na mRNA šablonu uz učešće ribozoma. Ostale RNK se nakon transkripcije podvrgavaju kemijskim modifikacijama, a nakon formiranja sekundarnih i tercijarnih struktura, obavljaju funkcije koje zavise od tipa RNK.

Rice. 10. Razlika između DNK i RNK u pogledu azotne baze: umjesto timina (T), RNK sadrži uracil (U), koji je također komplementaran adeninu.

TRANSKRIPCIJA

Ovo je proces sinteze RNK na DNK šablonu. DNK se odvija na jednom od mjesta. Jedan od lanaca sadrži informacije koje treba kopirati na molekulu RNK - ovaj lanac se zove kodiranje. Drugi lanac DNK, koji je komplementaran kodirajućem lancu, naziva se šablonski lanac. U procesu transkripcije na lancu šablona u smjeru 3'-5' (duž lanca DNK), sintetiše se njemu komplementaran RNK lanac. Tako se stvara RNA kopija kodirajućeg lanca.

Rice. 11. Šematski prikaz transkripcije

Na primjer, ako nam je data sekvenca kodnog niza

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

tada će, prema pravilu komplementarnosti, matrični lanac nositi niz

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

a RNA sintetizirana iz nje je sekvenca

BROADCAST

Razmotrite mehanizam sinteza proteina na RNA matrici, kao i genetski kod i njegova svojstva. Također, radi jasnoće, na linku ispod preporučujemo da pogledate kratki video o procesima transkripcije i prevođenja koji se dešavaju u živoj ćeliji:

Rice. 12. Proces sinteze proteina: DNK kodovi za RNK, RNK kodovi za protein

GENETSKI KOD

Genetski kod- metoda kodiranja sekvence aminokiselina proteina korištenjem sekvence nukleotida. Svaka aminokiselina je kodirana nizom od tri nukleotida - kodon ili triplet.

Genetski kod uobičajen za većinu pro- i eukariota. U tabeli su navedena sva 64 kodona i navedene su odgovarajuće aminokiseline. Osnovni redosled je od 5" do 3" kraja mRNA.

Tabela 1. Standardni genetski kod

Među trojkama postoje 4 posebne sekvence koje djeluju kao "interpunkcijski znaci":

• *Triplet AUG, koji također kodira metionin, naziva se start kodon. Ovaj kodon započinje sintezu proteinske molekule. Dakle, tokom sinteze proteina, prva aminokiselina u nizu uvijek će biti metionin.

• **Trojke UAA, UAG i UGA pozvao stop kodoni i ne kodiraju nikakve aminokiseline. Na ovim sekvencama se zaustavlja sinteza proteina.

Osobine genetskog koda

1. Trojstvo. Svaka aminokiselina je kodirana nizom od tri nukleotida - tripletom ili kodonom.

2. Kontinuitet. Između tripleta nema dodatnih nukleotida, informacije se neprekidno čitaju.

3. Nepreklapanje. Jedan nukleotid ne može biti dio dva tripleta u isto vrijeme.

4. Jedinstvenost. Jedan kodon može kodirati samo jednu aminokiselinu.

5. Degeneracija. Jedna aminokiselina može biti kodirana s nekoliko različitih kodona.

6. Svestranost. Genetski kod je isti za sve žive organizme.

Primjer. Dat nam je niz kodnog niza:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Matrični lanac će imati niz:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Sada "sintetišemo" informacionu RNK iz ovog lanca:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Sinteza proteina ide u pravcu 5' → 3', stoga moramo da okrenemo sekvencu da bismo "pročitali" genetski kod:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Sada pronađite početni kodon AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Podijelite niz na trojke:

zvuči ovako: informacije iz DNK se prenose na RNK (transkripcija), sa RNK na protein (translacija). DNK se može duplicirati i replikacijom, a moguć je i proces reverzne transkripcije, kada se DNK sintetiše iz RNK šablona, ​​ali je takav proces uglavnom karakterističan za viruse.

Rice. 13. Centralna dogma molekularne biologije

GENOM: geni i hromozomi

(opći koncepti)

Genom - ukupnost svih gena jednog organizma; njegov kompletan hromozomski set.

Termin "genom" predložio je G. Winkler 1920. godine da bi opisao ukupnost gena sadržanih u haploidnom skupu hromozoma organizama iste biološke vrste. Prvobitno značenje ovog pojma je ukazivalo da je koncept genoma, za razliku od genotipa, genetska karakteristika vrste u cjelini, a ne pojedinca. S razvojem molekularne genetike, značenje ovog pojma se promijenilo. Poznato je da DNK, koja je nosilac genetske informacije u većini organizama i stoga čini osnovu genoma, uključuje ne samo gene u modernom smislu te riječi. Većina DNK eukariotskih ćelija predstavljena je nekodirajućim („redundantnim“) nukleotidnim sekvencama koje ne sadrže informacije o proteinima i nukleinskim kiselinama. Dakle, glavni dio genoma bilo kojeg organizma je cjelokupna DNK njegovog haploidnog seta hromozoma.

Geni su segmenti molekula DNK koji kodiraju polipeptide i RNA molekule.

Tokom prošlog veka, naše razumevanje gena se značajno promenilo. Ranije je genom bio dio hromozoma koji kodira ili određuje jednu osobinu ili fenotipski(vidljivo) svojstvo, kao što je boja očiju.

1940. George Beadle i Edward Tatham predložili su molekularnu definiciju gena. Naučnici su obrađivali spore gljiva Neurospora crassa X-zrake i drugi agensi koji uzrokuju promjene u sekvenci DNK ( mutacije), i pronađeni su mutantni sojevi gljive koji su izgubili neke specifične enzime, što je u nekim slučajevima dovelo do poremećaja cijelog metaboličkog puta. Beadle i Tatham su došli do zaključka da je gen dio genetskog materijala koji definira ili kodira jedan enzim. Ovako je hipoteza "jedan gen, jedan enzim". Ovaj koncept je kasnije proširen na definiciju "jedan gen - jedan polipeptid", budući da mnogi geni kodiraju proteine ​​koji nisu enzimi, a polipeptid može biti podjedinica kompleksnog proteinskog kompleksa.

Na sl. 14 prikazuje dijagram kako DNK tripleti određuju polipeptid, aminokiselinsku sekvencu proteina, posredovan mRNA. Jedan od lanaca DNK igra ulogu šablona za sintezu mRNA, čiji su nukleotidni tripleti (kodoni) komplementarni DNK tripletima. Kod nekih bakterija i mnogih eukariota kodirajuće sekvence su prekinute nekodirajućim regijama (tzv. introni).

Moderna biohemijska definicija gena još konkretnije. Geni su svi dijelovi DNK koji kodiraju primarnu sekvencu krajnjih proizvoda, koji uključuju polipeptide ili RNK koji imaju strukturnu ili katalitičku funkciju.

Uz gene, DNK sadrži i druge sekvence koje obavljaju isključivo regulatornu funkciju. Regulatorne sekvence može označiti početak ili kraj gena, utjecati na transkripciju ili ukazati na mjesto inicijacije replikacije ili rekombinacije. Neki geni se mogu izraziti na različite načine, pri čemu isti dio DNK služi kao šablon za formiranje različitih proizvoda.

Možemo otprilike izračunati minimalna veličina gena kodiranje za intermedijarni protein. Svaka amino kiselina u polipeptidnom lancu je kodirana sekvencom od tri nukleotida; sekvence ovih tripleta (kodona) odgovaraju lancu aminokiselina u polipeptidu koji je kodiran datim genom. Polipeptidni lanac od 350 aminokiselinskih ostataka (lanac srednje dužine) odgovara sekvenci od 1050 bp. ( bp). Međutim, mnogi eukariotski geni i neki prokariotski geni su prekinuti segmentima DNK koji ne nose informacije o proteinu, pa se stoga ispostavilo da su mnogo duži nego što pokazuje jednostavna kalkulacija.

Koliko gena ima na jednom hromozomu?

Rice. 15. Prikaz hromozoma u prokariotskim (lijevo) i eukariotskim ćelijama. Histoni su široka klasa nuklearnih proteina koji obavljaju dvije glavne funkcije: uključeni su u pakovanje lanaca DNK u jezgri i u epigenetsku regulaciju nuklearnih procesa kao što su transkripcija, replikacija i popravak.

Kao što znate, bakterijske ćelije imaju hromozom u obliku lanca DNK, upakovan u kompaktnu strukturu - nukleoid. prokariotski hromozom Escherichia coli, čiji je genom potpuno dekodiran, je kružni DNK molekul (u stvari, ovo nije pravilan krug, već petlja bez početka i kraja), koji se sastoji od 4.639.675 bp. Ova sekvenca sadrži približno 4300 proteinskih gena i još 157 gena za stabilne RNA molekule. AT ljudski genom otprilike 3,1 milijarda parova baza koji odgovaraju gotovo 29.000 gena smještenih na 24 različita hromozoma.

Prokarioti (bakterije).

Bakterija E. coli ima jednu dvolančanu kružnu DNK molekulu. Sastoji se od 4,639,675 b.p. i dostiže dužinu od približno 1,7 mm, što premašuje dužinu same ćelije E. coli oko 850 puta. Osim velikog kružnog kromosoma kao dijela nukleoida, mnoge bakterije sadrže jednu ili više malih kružnih molekula DNK koje su slobodno locirane u citosolu. Ovi ekstrahromozomski elementi se nazivaju plazmidi(Sl. 16).

Većina plazmida se sastoji od samo nekoliko hiljada parova baza, neki sadrže više od 10.000 bp. Oni nose genetske informacije i umnožavaju se kako bi formirali ćerke plazmide, koji ulaze u ćelije kćeri tokom diobe roditeljske ćelije. Plazmidi se nalaze ne samo u bakterijama, već iu kvascima i drugim gljivama. U mnogim slučajevima, plazmidi ne nude nikakvu prednost ćelijama domaćinima i njihov jedini zadatak je da se razmnožavaju nezavisno. Međutim, neki plazmidi nose gene korisne za domaćina. Na primjer, geni sadržani u plazmidima mogu dati otpornost na antibakterijske agense u bakterijskim stanicama. Plazmidi koji nose gen β-laktamaze daju otpornost na β-laktamske antibiotike kao što su penicilin i amoksicilin. Plazmidi mogu preći iz ćelija otpornih na antibiotike u druge ćelije iste ili različite bakterijske vrste, uzrokujući da i te ćelije postanu otporne. Intenzivna upotreba antibiotika snažan je selektivni faktor koji potiče širenje plazmida koji kodiraju rezistenciju na antibiotike (kao i transposona koji kodiraju slične gene) među patogenim bakterijama, te dovodi do pojave bakterijskih sojeva otpornih na nekoliko antibiotika. Doktori počinju da shvataju opasnosti široke upotrebe antibiotika i prepisuju ih samo kada je to apsolutno neophodno. Iz sličnih razloga, široka upotreba antibiotika za liječenje domaćih životinja je ograničena.

Vidi također: Ravin N.V., Šestakov S.V. Genom prokariota // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. br. 4/2. str. 972-984.

Eukarioti.

Tabela 2. DNK, geni i hromozomi nekih organizama

Bilješka. Informacije se stalno ažuriraju; Za više ažuriranih informacija pogledajte web stranice pojedinačnih genomskih projekata.

* Za sve eukariote, osim kvasca, dat je diploidni set hromozoma. diploidni komplet hromozomi (od grčkog diploos - dvostruki i eidos - pogled) - dvostruki skup hromozoma (2n), od kojih svaki ima homologni.
**Haploidni set. Divlji sojevi kvasca obično imaju osam (oktaploidnih) ili više skupova ovih hromozoma.
***Za žene sa dva X hromozoma. Muškarci imaju X hromozom, ali nemaju Y, odnosno samo 11 hromozoma.

Ćelija kvasca, jedan od najmanjih eukariota, ima 2,6 puta više DNK od ćelije E. coli(Tabela 2). ćelije voćne mušice Drosophila, klasični predmet genetskog istraživanja, sadrži 35 puta više DNK, a ljudske ćelije sadrže oko 700 puta više DNK od ćelija E. coli. Mnoge biljke i vodozemci sadrže još više DNK. Genetski materijal eukariotskih ćelija organiziran je u obliku hromozoma. Diploidni skup hromozoma (2 n) zavisi od vrste organizma (tabela 2).

Na primjer, u ljudskoj somatskoj ćeliji postoji 46 hromozoma ( pirinač. 17). Svaki hromozom u eukariotskoj ćeliji, kao što je prikazano na sl. 17, a, sadrži jednu vrlo veliku dvolančanu DNK molekulu. Dvadeset četiri ljudska hromozoma (22 uparena hromozoma i dva polna hromozoma X i Y) razlikuju se po dužini više od 25 puta. Svaki eukariotski hromozom sadrži specifičan skup gena.

Rice. 17. eukariotske hromozome.a- par povezanih i kondenzovanih sestrinskih hromatida iz ljudskog hromozoma. U ovom obliku, eukariotski hromozomi ostaju nakon replikacije i u metafazi tokom mitoze. b- kompletan set hromozoma iz leukocita jednog od autora knjige. Svaka normalna ljudska somatska ćelija sadrži 46 hromozoma.

Ako povežete molekule DNK ljudskog genoma (22 hromozoma i hromozoma X i Y ili X i X) jedan s drugim, dobićete sekvencu dugu oko jedan metar. Napomena: Kod svih sisara i drugih heterogametnih muških organizama, ženke imaju dva X hromozoma (XX), a mužjaci imaju jedan X hromozom i jedan Y hromozom (XY).

Većina ljudskih ćelija, tako da je ukupna dužina DNK takvih ćelija oko 2m. Odrasli čovjek ima oko 1014 ćelija, tako da je ukupna dužina svih molekula DNK 2・1011 km. Poređenja radi, obim Zemlje je 4・10 4 km, a udaljenost od Zemlje do Sunca je 1,5・10 8 km. Tako je neverovatno kompaktno upakovana DNK u našim ćelijama!

U eukariotskim stanicama postoje i druge organele koje sadrže DNK - to su mitohondrije i kloroplasti. Iznesene su mnoge hipoteze o porijeklu DNK mitohondrija i hloroplasta. Danas je općeprihvaćeno gledište da su oni rudimenti hromozoma drevnih bakterija koje su prodrle u citoplazmu ćelija domaćina i postale prekursori ovih organela. Mitohondrijalna DNK kodira mitohondrijsku tRNA i rRNA, kao i nekoliko mitohondrijalnih proteina. Više od 95% mitohondrijalnih proteina je kodirano nuklearnom DNK.

STRUKTURA GENA

Razmotrite strukturu gena u prokariota i eukariota, njihove sličnosti i razlike. Unatoč činjenici da je gen dio DNK koji kodira samo jedan protein ili RNK, osim direktnog kodirajućeg dijela, uključuje i regulatorne i druge strukturne elemente koji imaju različitu strukturu kod prokariota i eukariota.

sekvenca kodiranja- glavna strukturna i funkcionalna jedinica gena, u njoj se nalaze tripleti nukleotida koji kodirajusekvenca aminokiselina. Počinje početnim kodonom i završava se stop kodonom.

Prije i poslije sekvence kodiranja su neprevedene 5' i 3' sekvence. Oni obavljaju regulatorne i pomoćne funkcije, na primjer, osiguravaju slijetanje ribozoma na mRNA.

Neprevedene i kodirajuće sekvence čine jedinicu transkripcije - transkribovani DNK region, odnosno DNK region iz kojeg se sintetiše mRNA.

Terminator Netranskribovana regija DNK na kraju gena gdje se zaustavlja sinteza RNK.

Na početku je gen regulatorno područje, što uključuje promoter i operater.

promoter- sekvenca sa kojom se polimeraza vezuje tokom iniciranja transkripcije. Operater- ovo je područje za koje se mogu vezati posebni proteini - represori, što može smanjiti aktivnost sinteze RNK iz ovog gena - drugim riječima, smanjiti je izraz.

Struktura gena kod prokariota

Opći plan za strukturu gena kod prokariota i eukariota se ne razlikuje - oba sadrže regulatornu regiju s promotorom i operatorom, transkripcijsku jedinicu s kodirajućim i neprevedenim sekvencama i terminator. Međutim, organizacija gena kod prokariota i eukariota je drugačija.

Rice. 18. Šema strukture gena kod prokariota (bakterija) -slika je uvećana

Na početku i na kraju operona postoje zajedničke regulatorne regije za nekoliko strukturnih gena. Iz transkribovane regije operona čita se jedan mRNA molekul koji sadrži nekoliko kodirajućih sekvenci, od kojih svaka ima svoj startni i stop kodon. Iz svake od ovih oblastisintetiše se jedan protein. Na ovaj način, Nekoliko proteinskih molekula se sintetizira iz jedne i-RNA molekule.

Prokariote karakterizira kombinacija nekoliko gena u jednu funkcionalnu jedinicu - operon. Rad operona mogu regulirati i drugi geni, koji se primjetno mogu ukloniti iz samog operona - regulatori. Protein preveden iz ovog gena se zove represor. Veže se za operator operona, regulišući ekspresiju svih gena sadržanih u njemu odjednom.

Ovaj fenomen karakteriše i prokariote transkripcija i translacija konjugacija.

Rice. 19 Fenomen konjugacije transkripcije i translacije kod prokariota - slika je uvećana

Ovo uparivanje se ne događa kod eukariota zbog prisutnosti nuklearne membrane koja odvaja citoplazmu, gdje se događa translacija, od genetskog materijala na kojem se događa transkripcija. Kod prokariota, tokom sinteze RNK na DNK šablonu, ribosom se može odmah vezati za sintetizirani RNA molekul. Dakle, prijevod počinje čak i prije nego što je transkripcija završena. Štaviše, nekoliko ribozoma se može istovremeno vezati za jedan RNA molekul, sintetizirajući nekoliko molekula jednog proteina odjednom.

Struktura gena kod eukariota

Geni i hromozomi eukariota su veoma složeno organizovani.

Bakterije mnogih vrsta imaju samo jedan hromozom, a u gotovo svim slučajevima postoji po jedna kopija svakog gena na svakom hromozomu. Samo nekoliko gena, poput gena rRNA, sadržano je u više kopija. Geni i regulatorne sekvence čine gotovo cijeli genom prokariota. Štaviše, skoro svaki gen striktno odgovara sekvenci aminokiselina (ili RNA sekvenci) koju kodira (slika 14).

Strukturna i funkcionalna organizacija eukariotskih gena je mnogo složenija. Proučavanje eukariotskih hromozoma, a kasnije i sekvenciranje kompletnih sekvenci eukariotskog genoma, donijelo je mnoga iznenađenja. Mnogi, ako ne i većina, eukariotski geni imaju zanimljivu osobinu: njihove nukleotidne sekvence sadrže jedan ili više DNK regiona koji ne kodiraju sekvencu aminokiselina polipeptidnog proizvoda. Takvi neprevedeni umetci narušavaju direktnu korespondenciju između nukleotidne sekvence gena i sekvence aminokiselina kodiranog polipeptida. Ovi neprevedeni segmenti u genima se nazivaju introni, ili ugrađen sekvence, a segmenti kodiranja su egzoni. Kod prokariota samo nekoliko gena sadrži introne.

Dakle, kod eukariota praktički ne postoji kombinacija gena u operone, a kodirajuća sekvenca eukariotskog gena najčešće se dijeli na translirane regije. - egzoni, i neprevedeni odjeljci - introni.

U većini slučajeva funkcija introna nije utvrđena. Generalno, samo oko 1,5% ljudske DNK je "kodirano", odnosno nosi informacije o proteinima ili RNK. Međutim, uzimajući u obzir velike introne, ispada da se 30% ljudske DNK sastoji od gena. Budući da geni čine relativno mali udio ljudskog genoma, značajna količina DNK ostaje nepoznata.

Rice. 16. Šema strukture gena kod eukariota - slika je uvećana

Iz svakog gena prvo se sintetiše nezrela ili pre-RNA, koja sadrži i introne i egzone.

Nakon toga se odvija proces spajanja, kao rezultat toga se intronska područja izrezuju i formira se zrela mRNA iz koje se može sintetizirati protein.

Rice. 20. Alternativni proces spajanja - slika je uvećana

Takva organizacija gena omogućava, na primjer, da se iz jednog gena mogu sintetizirati različiti oblici proteina, zbog činjenice da se egzoni mogu spojiti u različitim sekvencama tokom spajanja.

Rice. 21. Razlike u strukturi gena prokariota i eukariota - slika je uvećana

MUTACIJE I MUTAGENEZA

mutacija naziva se trajna promjena genotipa, odnosno promjena u nukleotidnoj sekvenci.

Proces koji dovodi do mutacije naziva se mutageneza, i organizam svečije ćelije nose istu mutaciju mutant.

teorija mutacija prvi put je formulisao Hugh de Vries 1903. Njegova moderna verzija uključuje sljedeće odredbe:

1. Mutacije se javljaju iznenada, naglo.

2. Mutacije se prenose s generacije na generaciju.

3. Mutacije mogu biti korisne, štetne ili neutralne, dominantne ili recesivne.

4. Vjerovatnoća otkrivanja mutacija ovisi o broju proučavanih pojedinaca.

5. Slične mutacije se mogu ponavljati.

6. Mutacije nisu usmjerene.

Mutacije mogu nastati pod uticajem različitih faktora. Razlikovati mutacije uzrokovane mutageno uticaji: fizički (npr. ultraljubičasto ili zračenje), hemijski (npr. kolhicin ili reaktivne vrste kiseonika) i biološki (npr. virusi). Mutacije također mogu biti uzrokovane greške u replikaciji.

U zavisnosti od uslova za pojavu mutacija se dele na spontano- odnosno mutacije koje su nastale u normalnim uslovima, i inducirano- odnosno mutacije koje su nastale pod posebnim uslovima.

Mutacije se mogu pojaviti ne samo u nuklearnoj DNK, već i, na primjer, u DNK mitohondrija ili plastida. Prema tome, možemo razlikovati nuklearna i citoplazmatski mutacije.

Kao rezultat pojave mutacija, često se mogu pojaviti novi aleli. Ako mutantni alel nadjača normalni alel, mutacija se naziva dominantan. Ako normalni alel potiskuje mutirani, mutacija se naziva recesivan. Većina mutacija koje dovode do novih alela su recesivne.

Mutacije se razlikuju po efektu adaptivni, što dovodi do povećanja prilagodljivosti organizma na okolinu, neutralan koji ne utiču na preživljavanje štetno koji smanjuju prilagodljivost organizama uslovima životne sredine i smrtonosna dovodi do smrti organizma u ranim fazama razvoja.

Prema posljedicama razlikuju se mutacije koje dovode do gubitak funkcije proteina, mutacije koje dovode do emergence protein ima novu funkciju, kao i mutacije koje promijeniti dozu gena, i, shodno tome, doza proteina sintetiziranog iz njega.

Mutacija se može pojaviti u bilo kojoj ćeliji tijela. Ako se mutacija dogodi u zametnoj ćeliji, to se zove germinal(germinativne ili generativne). Takve mutacije se ne pojavljuju u organizmu u kojem su se pojavile, već dovode do pojave mutanata u potomstvu i nasljeđuju se, pa su važne za genetiku i evoluciju. Ako se mutacija dogodi u bilo kojoj drugoj ćeliji, zove se somatski. Takva mutacija može se u određenoj mjeri manifestirati u organizmu u kojem je nastala, na primjer, dovesti do stvaranja kancerogenih tumora. Međutim, takva mutacija nije naslijeđena i ne utječe na potomstvo.

Mutacije mogu utjecati na dijelove genoma različitih veličina. Dodijeli genetski, hromozomski i genomski mutacije.

Genske mutacije

Mutacije koje se javljaju na skali manjoj od jednog gena nazivaju se genetski, ili tačkasta (tačkasta). Takve mutacije dovode do promjene jednog ili više nukleotida u nizu. Genske mutacije uključujuzamjenešto dovodi do zamjene jednog nukleotida drugim,brisanja dovodi do gubitka jednog od nukleotida,umetanja, što dovodi do dodavanja dodatnog nukleotida u sekvencu.

Rice. 23. Genske (tačkaste) mutacije

Prema mehanizmu djelovanja na protein, mutacije gena se dijele na:sinonim, koji (kao rezultat degeneracije genetskog koda) ne dovode do promjene aminokiselinskog sastava proteinskog proizvoda,misense mutacije, koji dovode do zamjene jedne aminokiseline drugom i mogu utjecati na strukturu sintetiziranog proteina, iako su često beznačajni,besmislene mutacije, što dovodi do zamjene kodnog kodona stop kodonom,mutacije koje dovode do poremećaj spajanja:

Rice. 24. Šeme mutacije

Također, prema mehanizmu djelovanja na protein izoluju se mutacije koje dovode do pomeranje okvira čitanja kao što su umetanja i brisanja. Takve mutacije, poput besmislenih mutacija, iako se javljaju u jednom trenutku gena, često utiču na cjelokupnu strukturu proteina, što može dovesti do potpune promjene u njegovoj strukturi.

Rice. 29. Hromosom prije i poslije duplikacije

Genomske mutacije

konačno, genomske mutacije utiču na ceo genom, odnosno na promene broja hromozoma. Razlikuje se poliploidija - povećanje ploidnosti ćelije i aneuploidija, odnosno promjena broja kromosoma, na primjer, trisomija (prisustvo dodatnog homologa u jednom od kromosoma) i monosomija (odsutnost homolog u hromozomu).

Video vezan za DNK

REPLIKACIJA DNK, RNK KODIRANJE, SINTEZA PROTEINA