Kromoszómák Ahhoz, hogy tudj valamit, már tudnod kell valamit. Stanislav Lem - Egy kromoszóma egy részének elvesztése végzetes következményekkel járhat - A kromoszómák a DNS-tárolás kompakt formája - Egy extra kromoszóma torzíthatja az ember életét - A kromoszómák határozzák meg a nemet

A kromoszómák és a nemek A szórakoztatóiparban a legsikeresebb ötlet az volt, hogy az embereket két nemre osztják. Yanina

Extra X kromoszómák Amikor az emberek kromoszómális nemi rendellenességeiről beszélnek az iskolában, a diákok néha azt a furcsa hipotézist terjesztik elő, hogy az extra X kromoszómának „szupernők” születését kell okoznia, például a skandináv mitológiában leírtakat.

Hogy a további elbeszélés világosabb legyen az olvasó számára, először nézzük meg részletesebben, hogyan van elrendezve ez a furcsa és titokzatos DNS-molekula.

Tehát a DNS 4 nitrogénbázisból, valamint cukorból (dezoxiribóz) és foszforsavból áll. Két nitrogéntartalmú bázis (rövidítve C és T) az úgynevezett pirimidinbázisok osztályába tartozik, a másik kettő (A és G) pedig a purinbázisok osztályába tartozik. Ez az elválasztás a szerkezetük sajátosságaiból adódik, amelyek az ábrán láthatók. egy.

Rizs. egy. A nitrogénbázisok szerkezete (elemi "betűk"), amelyekből a DNS-molekula épül

Az egyes bázisok a DNS-láncban cukor-foszfát kötésekkel kapcsolódnak össze. Ezeket a csatlakozásokat a következő ábra mutatja (2. ábra).

Rizs. 2. A DNS-lánc kémiai szerkezete

Mindez már régóta ismert. De a DNS-molekula részletes szerkezete csak majdnem 90 évvel Mendel híres munkája és Miescher felfedezése után vált világossá. 1953. április 25-én egy angol folyóiratban természet James Watson és Francis Crick fiatal, majd kevéssé ismert tudósok egy kis levelet tettek közzé a folyóirat szerkesztőjének. A következő szavakkal kezdődött: „Szeretnénk elmondani gondolatainkat a DNS-só szerkezetéről. Ennek a szerkezetnek új tulajdonságai vannak, amelyek nagy biológiai jelentőséggel bírnak." A cikk csak körülbelül 900 szót tartalmazott, de - és ez nem túlzás - mindegyik aranyat ért.

És minden így kezdődött. 1951-ben egy nápolyi szimpóziumon az amerikai James Watson találkozott az angol Maurice Wilkinsszel. Persze akkor még elképzelni sem tudták, hogy ennek a találkozónak köszönhetően Nobel-díjasok lesznek. Abban az időben Wilkins és kollégája, Rosalind Franklin a DNS röntgendiffrakciós elemzését végezték a Cambridge-i Egyetemen, és megállapították, hogy a DNS-molekula valószínűleg egy hélix. A Wilkins-szel folytatott beszélgetés után Watson "fellángolt", és úgy döntött, hogy tanulmányozza a nukleinsavak szerkezetét. Cambridge-be költözött, ahol megismerkedett Francis Crickkel. A tudósok úgy döntöttek, hogy együtt próbálják megérteni a DNS működését. A munka nem légüres térben indult. A kutatók már korábban is tudtak kétféle nukleinsav (DNS és RNS) létezéséről, és azt is tudták, hogy ezek miből állnak. Rendelkezésükre álltak R. Franklin röntgendiffrakciós elemzésének fényképei. Ráadásul addigra Erwin Chargaff megfogalmazott egy nagyon fontos szabályt, miszerint a DNS-ben az A szám mindig egyenlő a T számmal, a G pedig a C számmal. És akkor az „elmejáték” dolgozott. Ennek a "játéknak" az eredménye egy cikk volt a Nature folyóiratban, amelyben J. Watson és F. Crick leírta a DNS-molekula szerkezetének elméleti modelljét. (Watson ekkorra 25 év alatti volt, Crick pedig 37 éves volt). "Tudományos fantáziájuk" szerint, bizonyos szilárdan megalapozott tények alapján, a DNS-molekulának két óriási polimer láncból kell állnia. Az egyes polimerek egységei a következőkből állnak nukleotidok: egy dezoxiribóz szénhidrát, egy foszforsav maradék és a 4 nitrogéntartalmú bázis egyike (A, G, T vagy C). A lánc láncszemeinek sorrendje tetszőleges lehet, de ez a sorrend szorosan összefügg egy másik (páros) polimer lánc láncszemeinek sorrendjével: A-val szemben T, T-vel szemben A-nak, C-vel szemben G-nek, szemben pedig G-nek kell lennie. G legyen C ( komplementaritási szabály) (3. ábra).

Rizs. 3. Két komplementer szál kölcsönhatásának diagramja egy DNS-molekulában

Két polimerlánc szabályos kettős spirálba van csavarva. A bázispárok (A-T és G-C) közötti hidrogénkötések tartják össze őket, mint a létra fokait. Emiatt a DNS két szálát komplementernek mondják. A természet szempontjából ez nem meglepő. Számos példa van a komplementaritásra. Kiegészítik például az ősi kínai "yin" és "yang" szimbólumokat, az aljzatokat és a csatlakozótűket.

A DNS kettős hélix sematikusan az 1. ábrán látható. 4. Külsőleg jobboldali spirálba csavart kötéllétrára hasonlít. Ennek a létrának a lépcsőfokai nukleotidpárok, az ezeket összekötő „oldalfalak” pedig cukor-foszfát gerincből állnak.

Rizs. négy. A híres kettős spirál DNS a - R. Franklin által készített DNS röntgenfelvétele, amely segített Watsonnak és Cricknek megtalálni a kulcsot a DNS kettős hélix szerkezetéhez; b - Kétszálú DNS-molekula sematikus ábrázolása

Így fedezték fel a híres "kettős hélixet". Ha a DNS-ben lévő linkek (nukleotidok) szekvenciáját tekintjük elsődleges szerkezetének, akkor a kettős hélix már a DNS másodlagos szerkezete. A Watson és Crick által javasolt „kettős hélix” modell elegánsan megoldotta nemcsak az információ kódolásának, hanem a génduplikáció (replikáció) problémáját is.

1962-ben J. Watson, F. Crick és Maurice Wilkins Nobel-díjat kapott ezért az eredményért. A DNS-t pedig az élő természet legfontosabb molekulájának nevezték. Mindebben persze szerepet játszottak a DNS szerkezetére vonatkozó pontos információk, de nem kisebb mértékben egy összetett térszerkezet "víziós" felépítése, amihez nem csak logika, hanem kreatív képzelőerő is kellett a kutatóknak - egy minőséget. művészek, írók és költők velejárója. "Itt, Cambridge-ben, a biológia talán legkiemelkedőbb eseménye történt Darwin könyve óta – Watson és Crick felfedte a gén szerkezetét!" - írta annak idején Niels Bohrnak Koppenhágában, egykori tanítványa, M. Delbrück. A híres spanyol művész, Salvador Dali a kettős hélix felfedezése után azt mondta, hogy számára ez Isten létezésének bizonyítéka, és DNS-t ábrázolt egyik festményén.

Tehát a tudósok intenzív ötletelése teljes sikert aratott! Történelmi léptékben a DNS szerkezetének felfedezése az atom szerkezetének felfedezéséhez hasonlítható. Ha az atom szerkezetének tisztázása a kvantumfizika megjelenéséhez vezetett, akkor a DNS szerkezetének felfedezése a molekuláris biológiát.

Mi derült ki az emberi DNS - ennek a fő molekulának - a fő fizikai paramétereinek? A kettős hélix átmérője 2 nanométer (1 nm = 10-9 m); a szomszédos bázispárok („lépések”) közötti távolság 0,34 nm; a hélix egy fordulata 10 bázispárból áll. A DNS-ben a nukleotidpárok sorrendje szabálytalan, de maguk a párok egy molekulában, mint egy kristályban helyezkednek el. Ez adott alapot a DNS-molekula lineáris aperiodikus kristályként való jellemzésére. A sejtben lévő egyedi DNS-molekulák száma megegyezik a kromoszómák számával. Egy ilyen molekula hossza a legnagyobb emberi kromoszómában, az 1-ben körülbelül 8 cm. Ilyen óriás polimereket még nem találtak sem a természetben, sem a mesterségesen szintetizált kémiai vegyületek között. Emberben egy sejt kromoszómáiban található összes DNS-molekula hossza körülbelül 2 méter. Ezért a DNS-molekulák hossza milliárdszor nagyobb, mint vastagságuk. Mivel egy felnőtt teste megközelítőleg 5x1013-1014 sejtből áll, a testben lévő összes DNS-molekula teljes hossza 1011 km (ez majdnem ezerszerese a Föld és a Nap távolságának). Itt van, egyetlen ember teljes DNS-e!

Amikor a genom méretéről beszélünk, akkor a DNS teljes tartalmát jelentik a sejtmag egyetlen kromoszómakészletében. Az ilyen kromoszómák halmazát haploidnak nevezik. A helyzet az, hogy testünk sejtjeinek többsége pontosan ugyanazon kromoszómák kettős (diploid) készletét tartalmazza (csak férfiaknál 2 nemi kromoszóma különbözik). A genom méretét daltonokban, bázispárokban (bp) vagy pikogrammokban (pg) adják meg. E mértékegységek aránya a következő: 1 pg = 10-9 mg = 0,6x1012 dalton = 0,9x109 p. (a továbbiakban főleg a.s.-t fogunk használni). A haploid emberi genom körülbelül 3,2 milliárd bp-t tartalmaz, ami 3,5 pg DNS-nek felel meg. Így egy emberi sejt magja körülbelül 7 pg DNS-t tartalmaz. Figyelembe véve, hogy egy emberi sejt átlagos tömege körülbelül 1000 pg, könnyen kiszámítható, hogy a DNS a sejttömeg kevesebb mint 1%-át teszi ki. Márpedig ahhoz, hogy az egyik sejtünk DNS-molekuláiban található hatalmas információt a legkisebb betűkkel reprodukálhassuk (mint a telefonkönyvekben), ezer darab, egyenként 1000 oldalas könyvre lenne szükség! Ez az emberi genom teljes mérete – az Encyclopedia, négy betűvel írva.

De nem szabad azt gondolni, hogy az emberi genom a legnagyobb a természetben létező összes közül. Például egy szalamandrában és egy liliomban az egy sejtben található DNS-molekulák hossza harmincszor nagyobb, mint az emberben.

Mivel a DNS-molekulák óriási méretűek, még otthon is izolálhatók és láthatók. Így van leírva ez az egyszerű eljárás a Fiatal Genetikus körnek szóló ajánlásban. Először is meg kell venni az állati vagy növényi szervezetek szöveteit (például egy almát vagy egy darab csirke). Ezután darabokra kell vágnia az anyagot, és 100 g-ot kell tennie egy szokásos keverőbe. 1/8 teáskanál só és 200 ml hideg víz hozzáadása után az egész keveréket keverőgépen 15 másodpercig keverjük. Ezután a felvert keveréket szűrőn átszűrjük. A kapott péphez adjunk hozzá mennyiségének 1/6-át (kb. 2 evőkanál lesz) mosogatószert (például edényekhez), és jól keverjük össze. 5-10 perc elteltével a folyadékot kémcsövekbe vagy bármilyen más üvegedénybe öntik úgy, hogy a térfogat egyharmadát ne töltsék be. Ezután egy kevés ananászlevet vagy kontaktlencsék tárolására használt oldatot adunk hozzá. Az összes tartalmat felrázzuk. Ezt nagyon óvatosan kell megtenni, mert ha túl erősen rázzuk, akkor az óriási DNS-molekulák eltörnek, és utána semmi sem lesz látható a szemnek. Ezután lassan egyenlő térfogatú etanolt öntünk a kémcsőbe úgy, hogy az egy réteget képezzen a keverék tetején. Ha ezek után egy kémcsőben üvegrudat csavarsz, viszkózus és szinte színtelen massza „tekered fel” rá, ami DNS-készítmény.

| |
A DNS a genom molekuláris alapjaGenetikai nyelvtan

A DNS univerzális forrása és őrzője az örökletes információnak, amelyet egy speciális nukleotidszekvencia segítségével rögzítenek, és meghatározza minden élő szervezet tulajdonságait.

Egy nukleotid átlagos molekulatömege 345, és a nukleotidmaradékok száma elérheti a több százat, ezret, sőt milliót is. A DNS többnyire a sejtek magjában található. Kevés a kloroplasztiszokban és a mitokondriumokban. A sejtmag DNS-e azonban nem egyetlen molekula. Számos molekulából áll, amelyek különböző kromoszómákon oszlanak el, számuk szervezettől függően változik. Ez a DNS szerkezete.

A DNS felfedezésének története

A DNS szerkezetét és funkcióját James Watson és Francis Crick fedezte fel, és 1962-ben még Nobel-díjat is kapott.

De először a svájci tudós, Friedrich Johann Miescher, aki Németországban dolgozott, fedezte fel a nukleinsavakat. 1869-ben állati sejteket - leukocitákat - tanulmányozott. Megszerzésükhöz gennyes kötszereket használt, amelyeket kórházakból kapott. Misher kimosta a leukocitákat a gennyből, és fehérjét izolált belőlük. E vizsgálatok során a tudósnak sikerült megállapítania, hogy a fehérjéken kívül más is van a leukocitákban, valami akkor még ismeretlen anyag. Ez egy fonalas vagy pelyhes csapadék volt, amely feltűnt, ha savas környezetet hoztak létre. A csapadék lúg hozzáadása után azonnal feloldódik.

Mikroszkóp segítségével a tudós felfedezte, hogy amikor a leukocitákat sósavval mossák, magok maradnak a sejtekből. Aztán arra a következtetésre jutott, hogy egy ismeretlen anyag van a sejtmagban, amit nukleinnek nevezett (a nucleus szó fordításban magot jelent).

A kémiai elemzés elvégzése után Misher rájött, hogy az új anyag összetételében szén, hidrogén, oxigén és foszfort tartalmaz. Abban az időben kevés szerves foszforvegyületet ismertek, így Friedrich a sejtmagban található vegyületek új osztályát vélte felfedezni.

Így a 19. században felfedezték a nukleinsavak létezését. Ekkor azonban senki sem gondolhatta, milyen fontos szerepet játszottak.

Az öröklődés anyaga

A DNS szerkezetét továbbra is tanulmányozták, és 1944-ben egy bakteriológus csoport Oswald Avery vezetésével bizonyítékot kapott arra vonatkozóan, hogy ez a molekula komoly figyelmet érdemel. A tudós évek óta vizsgálja a pneumococcusokat, tüdőgyulladást vagy tüdőbetegséget okozó organizmusokat. Avery olyan kísérleteket végzett, amelyekben a betegségeket okozó pneumococcusokat olyanokkal keverte össze, amelyek biztonságosak az élő szervezetek számára. Először a betegséget okozó sejteket elpusztították, majd azokat is hozzáadták hozzájuk, amelyek nem okoztak betegségeket.

A kutatás eredménye mindenkit lenyűgözött. Voltak olyan élő sejtek, amelyek a halottakkal való érintkezés után megtanultak betegségeket okozni. A tudós kiderítette annak az anyagnak a természetét, amely részt vesz az információtovábbítás folyamatában az élő sejtekhez az elhalt sejtekből. Kiderült, hogy a DNS-molekula ez az anyag.

Szerkezet

Tehát meg kell értenünk, milyen szerkezetű a DNS-molekula. Szerkezetének felfedezése jelentős esemény volt, ez vezetett a molekuláris biológia – a biokémia egy új ágának – kialakulásához. A DNS nagy mennyiségben található a sejtek magjában, de a molekulák mérete és száma a szervezet típusától függ. Megállapítást nyert, hogy az emlőssejtek magjai sok ilyen sejtet tartalmaznak, kromoszómákon oszlanak el, 46 van belőlük.

A DNS szerkezetét tanulmányozva Felgen 1924-ben állapította meg először annak lokalizációját. A kísérletek során szerzett bizonyítékok azt mutatták, hogy a DNS a mitokondriumokban található (1-2%). Más helyeken ezek a molekulák vírusfertőzés során, bazális testekben és egyes állatok petéiben is megtalálhatók. Ismeretes, hogy minél összetettebb a szervezet, annál nagyobb a DNS tömege. A sejtben lévő molekulák száma a funkciótól függ, és általában 1-10%. A legkevesebb közülük a myocytákban (0,2%), több - a csírasejtekben (60%).

A DNS szerkezete azt mutatta, hogy a magasabb rendű organizmusok kromoszómáiban egyszerű fehérjékhez kapcsolódnak - albuminokhoz, hisztonokhoz és másokhoz, amelyek együtt DNP-t (dezoxiribonukleoproteint) alkotnak. Általában egy nagy molekula instabil, és annak érdekében, hogy az evolúció során sértetlen és változatlan maradjon, egy úgynevezett javító rendszert hoztak létre, amely a molekula "javításáért" felelős enzimekből - ligázokból és nukleázokból áll.

A DNS kémiai szerkezete

A DNS egy polimer, egy polinukleotid, amely hatalmas számú (akár több tízezer millió) mononukleotidból áll. A DNS szerkezete a következő: a mononukleotidok nitrogéntartalmú bázisokat - citozint (C) és timint (T) - tartalmaznak pirimidin-származékokból, adenint (A) és guanint (G) - purinszármazékokból. Az emberi és állati molekulák a nitrogéntartalmú bázisokon kívül 5-metil-citozint is tartalmaznak, amely egy kisebb pirimidinbázis. A nitrogéntartalmú bázisok foszforsavhoz és dezoxiribózhoz kötődnek. A DNS szerkezetét az alábbiakban mutatjuk be.

Chargaff szabályok

A DNS szerkezetét és biológiai szerepét E. Chargaff vizsgálta 1949-ben. Kutatásai során a nitrogénbázisok mennyiségi eloszlásában megfigyelhető mintákat tárt fel:

1. ∑T + C \u003d ∑A + G (azaz a pirimidinbázisok száma megegyezik a purinok számával).
2. Az adenin-maradékok száma mindig megegyezik a timin-maradékok számával, a guanin mennyisége pedig a citozinnal.
3. A specificitási együttható képlete: G+C/A+T. Például embernél 1,5, bikánál 1,3.
4. Az "A + C" összege egyenlő a "G + T" összegével, vagyis annyi adenin és citozin van, mint guanin és timin.

DNS szerkezeti modell

Watson és Crick készítette. A foszfátmaradékok és a dezoxiribóz két, spirálisan csavart polinukleotid lánc gerince mentén helyezkednek el. Megállapítást nyert, hogy a pirimidin- és purinbázisok sík szerkezetei a lánctengelyre merőlegesen helyezkednek el, és mintegy spirál alakú lépcsőfokot alkotnak. Azt is megállapították, hogy A mindig két hidrogénkötéssel kapcsolódik T-hez, G pedig három azonos kötés segítségével kapcsolódik C-hez. Ez a jelenség a "szelektivitás és komplementaritás elve" nevet kapta.

A szerkezeti szervezettség szintjei

A hélixszerűen meggörbült polinukleotid lánc egy olyan elsődleges szerkezet, amely egy 3',5'-foszfodiészter kötéssel összekapcsolt mononukleotidok bizonyos minőségi és mennyiségi halmazával rendelkezik. Így mindegyik láncnak van egy 3'-vége (dezoxiribóz) és egy 5'-vége (foszfát). A genetikai információt tartalmazó régiókat szerkezeti géneknek nevezzük.

A kettős hélix molekula másodlagos szerkezet. Ezenkívül polinukleotid láncai antiparallelek, és hidrogénkötésekkel kapcsolódnak a láncok komplementer bázisai közé. Megállapították, hogy ennek a hélixnek minden menete 10 nukleotid-maradékot tartalmaz, hossza 3,4 nm. Ezt a struktúrát támogatják a van der Waals kölcsönhatási erők is, amelyek ugyanazon lánc bázisai között figyelhetők meg, beleértve a taszító és vonzó összetevőket. Ezeket az erőket a szomszédos atomokban lévő elektronok kölcsönhatása magyarázza. Az elektrosztatikus kölcsönhatás a másodlagos szerkezetet is stabilizálja. A pozitív töltésű hisztonmolekulák és a negatív töltésű DNS-szál között fordul elő.

A harmadlagos szerkezet a DNS-szálak hisztonok köré tekeredése vagy szuperspirálozás. Öt típusú hisztont írtak le: H1, H2A, H2B, H3, H4.

A nukleoszómák kromatinná való feltekeredése kvaterner szerkezet, így egy több centiméter hosszú DNS-molekula akár 5 nm-re is összehajthat.

A DNS funkciói

A DNS fő funkciói a következők:

1. Örökletes információk tárolása. A fehérjemolekulában lévő aminosavak sorrendjét az határozza meg, hogy a nukleotid-maradékok milyen sorrendben helyezkednek el a DNS-molekulában. Ezenkívül kódol minden információt a test tulajdonságairól és jellemzőiről.
2. A DNS képes örökletes információt átadni a következő generációnak. Ez a replikációs képesség – önmegkettőzés – miatt lehetséges. A DNS két komplementer láncra tud hasadni, és mindegyiken (a komplementaritás elvének megfelelően) visszaáll az eredeti nukleotidszekvencia.
3. A DNS segítségével fehérjék, enzimek és hormonok bioszintézise megy végbe.

Következtetés

A DNS szerkezete lehetővé teszi, hogy a genetikai információ őrzője legyen, és továbbadja azt a következő generációknak. Milyen jellemzői vannak ennek a molekulának?

1. Stabilitás. Ez a glikozidos, hidrogén- és foszfodiészter kötések, valamint az indukált és spontán károsodások helyreállítási mechanizmusa miatt lehetséges.
2. Replikációs képesség. Ez a mechanizmus lehetővé teszi a szomatikus sejtek számára, hogy fenntartsák a kromoszómák diploid számát.
3. A genetikai kód megléte. A transzlációs és transzkripciós folyamatok segítségével a DNS-ben található bázisok szekvenciája a polipeptidláncban található aminosavszekvenciává alakul.
4. A genetikai rekombináció képessége. Ilyenkor új génkombinációk jönnek létre, amelyek egymáshoz kapcsolódnak.

Így a DNS szerkezete és funkciói lehetővé teszik, hogy felbecsülhetetlen szerepet játsszon az élőlények szervezetében. Ismeretes, hogy minden emberi sejtben 46 DNS-molekula hossza közel 2 m, a nukleotidpárok száma pedig 3,2 milliárd.

Dezoxiribonukleinsav (DNS) egy nukleinsav, amely minden szervezetben és minden élő szervezetben, főként annak sejtmagjában jelen van, cukorként dezoxiribózt, nitrogénbázisként adenint, guanint, citozint és timint tartalmaz. Nagyon fontos biológiai szerepet játszik, megőrzi és továbbadja a genetikai információkat bármely szervezet szerkezetéről, fejlődéséről és egyéni jellemzőiről. szervezet. DNS-készítmények nyerhetők különböző állatok és növények szöveteiből, valamint baktériumokból és DNS-tartalmúakból.

A DNS egy biopolimer, amely sok monomerből – dezoxiribonukleotidból – áll, amelyek foszforsavmaradékokon keresztül kapcsolódnak össze egy bizonyos, az egyes DNS-ekre specifikus szekvenciában. A dezoxiribonukleotidok egyedi szekvenciája egy adott DNS-molekulában biológiai információ kódrekordja. Két ilyen polinukleotid lánc kettős hélixet alkot a DNS-molekulában (lásd 1. ábra), amelyben a komplementer bázisok - adenin (A) timinnel (T) és guanin (G) citozinnal (C) - kapcsolódnak egymáshoz. hidrogénkötések, kötések és úgynevezett hidrofób kölcsönhatások. Egy ilyen jellegzetes szerkezet nemcsak a DNS biológiai tulajdonságait határozza meg, hanem fizikai-kémiai tulajdonságait is.

Kattintson a képre a nagyításhoz:

Rizs. 1. A DNS-molekula kettős hélixének vázlata (Watson és Crick modell): A - adenin; T - timin; G - guanin; C - citozin; D - dezoxiribóz; F - foszfát

A nagyszámú foszfátmaradék teszi a DNS-t erős többbázisú savvá (polianion), amely sók formájában van jelen a szövetekben. A purin és pirimidin bázisok jelenléte az ultraibolya sugarak intenzív elnyelését okozza, maximum körülbelül 260 mikron hullámhosszon. A DNS-oldatok melegítésekor a bázispárok közötti kötés gyengül, és egy adott DNS-re jellemző hőmérsékleten (általában 80-90 °C) két polinukleotid lánc válik el egymástól (DNS olvadás vagy denaturáció).

A natív DNS-molekulák moláris tömege nagyon magas - akár több százmillió is lehet. Csak a mitokondriumokban, valamint egyes vírusokban és baktériumokban a DNS moláris tömege sokkal kisebb; ezekben az esetekben a DNS-molekulák kör alakúak (néha például a ∅X174 fágban egyszálúak), vagy ritkábban lineáris szerkezetűek. A sejtmagban a DNS főként DNS-fehérjék formájában helyezkedik el - komplexek (főleg hisztonokkal), amelyek jellegzetes magstruktúrákat - kromoszómák és kromatin - alkotnak. E faj egyedében minden szomatikus sejt (diploid testsejt) magja állandó mennyiségű DNS-t tartalmaz; a csírasejtek magjában (haploid) fele annyi. Poliploidiában a DNS mennyisége nagyobb és arányos a ploidiával. A sejtosztódás során a DNS mennyisége megduplázódik az interfázisban (az úgynevezett szintetikus, vagy „S” periódusban, a G1 és G2 periódusok között). A DNS duplikáció (replikáció) folyamata a kettős hélix kibontásából és egy új komplementer lánc szintéziséből áll minden polinukleotid láncon. Így a két új DNS-molekula mindegyike, amely megegyezik a régi molekulával, egy régi és egy újonnan szintetizált polinukleotid láncot tartalmaz.

A DNS-bioszintézis szabad energiában gazdag nukleozid-trifoszfátokból megy végbe a DNS-polimeráz enzim hatására. Először a polimer kis szakaszait szintetizálják, amelyeket azután a DNS-ligáz enzim hatására hosszabb láncokká egyesítenek. A testen kívül a DNS-bioszintézis mind a 4 típusú dezoxiribonukleozid-trifoszfát, a megfelelő enzimek és a DNS jelenlétében megy végbe – egy templát, amelyen egy komplementer nukleotidszekvencia szintetizálódik. Amerikai a tudósnak, Arthur Kornberg biokémikusnak, aki először hajtotta végre ezt a reakciót 1967-ben, sikerült a vírus biológiailag aktív DNS-ét a szervezeten kívüli enzimatikus szintézissel megszereznie. 1968-ban az indiai és amerikai molekuláris biológus, Har Gobind Korana kémiai úton szintetizálta a DNS szerkezeti génjének (cisztronjának) megfelelő polidezoxiribonukleotidot.

A DNS templátként is szolgál a ribonukleinsavak (RNS) szintéziséhez, ezáltal meghatározza azok elsődleges szerkezetét (transzkripció). A hírvivő RNS-en (i-RNS) keresztül transzláció történik - specifikus fehérjék szintézise, ​​amelyek szerkezetét a DNS adja meg specifikus nukleotidszekvencia formájában. Tehát, ha az RNS a DNS-molekulákba "rögzített" biológiai információkat ad át szintetizált fehérjemolekuláknak, akkor a DNS megtartja ezt az információt, és öröklődés útján továbbítja. A DNS ezen szerepét bizonyítja, hogy az egyik baktériumtörzs megtisztított DNS-e képes átvinni egy másik törzsbe a donortörzsre jellemző tulajdonságokat, valamint az is, hogy egy látens állapotban élt vírus DNS-e az egyik törzs baktériumaiban képes e baktériumok DNS-ének egy részét átvinni egy másikba, ha ezzel a vírussal megfertőződik, és reprodukálja a megfelelő tulajdonságokat a recipiens törzsben. Így az örökletes hajlamok (gének) a DNS-molekula szakaszaiban egy bizonyos nukleotidszekvenciában testesülnek meg, és ezekkel a szakaszokkal együtt átadhatók egyik egyedről a másikra. Az élőlényekben végbemenő örökletes változások (mutációk) a nitrogénbázisok megváltozásával, elvesztésével vagy beépülésével járnak a DNS-polinukleotid láncokban, és fizikai vagy kémiai hatások is okozhatják.

A DNS-molekulák szerkezetének és változásának feltárása az állatok, növények és mikroorganizmusok örökletes elváltozásainak elérésének, valamint az örökletes hibák kijavításának módja. (Szovjet és Orosz tudós, biokémikus, az Orosz Orvostudományi Akadémia akadémikusa, Ilja Boriszovics Zbarszkij professzor (1913. október 26., Kamenec-Podolszkij - 2007. november 9., Moszkva)

1977-ben Frederick Sanger angol biokémikus egy módszert javasolt a DNS elsődleges szerkezetének megfejtésére, amely a vizsgált egyszálú DNS-en templátként egy erősen radioaktív komplementer DNS-szekvencia enzimatikus szintézisén alapul. A nukleinsavak területén végzett kutatás eredményeként 1980-ban Sanger és az amerikai W. Gilbert megkapta a Nobel-díj felét "a nukleinsavak bázissorrendjének meghatározásához való hozzájárulásukért". A díj másik felét az amerikai P. Berg kapta.

A hétköznapi életben (azaz nem a tudományban) A DNS-t az apaság megállapítására használjákés személy azonosítása amikor a test sérülése (baleset, tűz, stb.) esetén a holttestet külső adatokkal és maradványokkal nem lehet azonosítani.

1984. szeptember 10-én fedezték fel a DNS egyediségét - "genetikai ujjlenyomatokat".

Egy hétköznapi ember testében elegendő DNS van ahhoz, hogy a Naptól a Plútóig és vissza 17-szer elnyúljon! Az emberi genom (a genetikai kód minden emberi sejtben) 23 DNS-molekulát (úgynevezett kromoszómát) tartalmaz, amelyek mindegyike 500 000-2,5 millió bázispárt tartalmaz. Az ilyen méretű DNS-molekulák feltekercselt állapotban 1,7-8,5 cm hosszúak – átlagosan körülbelül 5 cm. Mindannyian megosztjuk DNS-ünk 99%-át minden más emberrel. Sokkal inkább hasonlítunk, mint különbözőek.

Bővebben a DNS-ről a szakirodalomban:

• Nukleinsavak kémiája és biokémiája, I. B. Zbarsky és Sergey Sergeevich Debov, L., 1968;
• Nukleinsavak, angolból fordítva, szerkesztette: I. B. Zbarsky, M., 1966;
• James Watson. A gén molekuláris biológiája, ford. angolból, M., 1967;
• Davidson J., Nucleinsav biochemistry, ford. angolból, szerkesztette: Andrej Nyikolajevics Belozerszkij, Moszkva, 1968. I. B. Zbarsky;
• Alberts B., Bray D., Lewis J. és munkatársai: A sejt molekuláris biológiája 3 kötetben. - M.: Mir, 1994. - 1558 p. - ISBN 5-03-001986-3;
• Dawkins R. Az önző gén. - M.: Mir, 1993. - 318 p. - ISBN 5-03-002531-6;
• A biológia története a 20. század elejétől napjainkig. - M.: Nauka, 1975. - 660 p.;
• Lewin B. Gének. - M.: Mir, 1987. - 544 p.;
• Ptashne M. Gének váltása. A génaktivitás és a lambda fág szabályozása. - M.: Mir, 1989. - 160 p.;
• Watson JD The Double Helix: Emlékirat a DNS szerkezetének felfedezéséről. - M.: Mir, 1969. - 152 p.

A cikk témájában:

Találj még valami érdekeset:

A jobb oldalon látható a várnai (Bulgária) tengerpartján a legnagyobb emberi DNS-spirál, amely 2016. április 23-án bekerült a Guinness Rekordok Könyvébe.

Dezoxiribonukleinsav. Általános információ

A DNS (dezoxiribonukleinsav) egyfajta életrajz, egy összetett kód, amely örökletes információkkal kapcsolatos adatokat tartalmaz. Ez az összetett makromolekula képes az örökletes genetikai információk tárolására és továbbítására generációról generációra. A DNS meghatározza bármely élő szervezet olyan tulajdonságait, mint az öröklődés és a változékonyság. A benne kódolt információ meghatározza bármely élő szervezet teljes fejlődési programját. A genetikailag beágyazott tényezők előre meghatározzák az ember és bármely más szervezet teljes életútját. A külső környezet mesterséges vagy természetes hatása csak kis mértékben befolyásolhatja az egyes genetikai tulajdonságok általános súlyosságát, vagy befolyásolhatja a programozott folyamatok fejlődését.

Dezoxiribonukleinsav(DNS) egy makromolekula (a három fő közül az egyik, a másik kettő az RNS és a fehérjék), amely biztosítja a tárolást, a nemzedékről nemzedékre történő átvitelt és az élő szervezetek fejlődését és működését biztosító genetikai program végrehajtását. A DNS információkat tartalmaz a különböző típusú RNS-ek és fehérjék szerkezetéről.

Az eukarióta sejtekben (állatok, növények és gombák) a DNS a sejtmagban a kromoszómák részeként, valamint egyes sejtszervecskékben (mitokondriumokban és plasztidokban) található. A prokarióta szervezetek (baktériumok és archaeák) sejtjeiben belülről körkörös vagy lineáris DNS-molekula, az úgynevezett nukleoid kapcsolódik a sejtmembránhoz. Nekik és az alacsonyabb rendű eukariótáknak (például az élesztőknek) is vannak kis autonóm, többnyire kör alakú DNS-molekulái, amelyeket plazmidoknak neveznek.

Kémiai szempontból a DNS egy hosszú polimer molekula, amely ismétlődő blokkokból - nukleotidokból áll. Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból, egy cukorból (dezoxiribóz) és egy foszfátcsoportból áll. A láncban lévő nukleotidok közötti kötéseket a dezoxiribóz ( TÓL TŐL) és foszfát ( F) csoportok (foszfodiészter kötések).

Rizs. 2. A nukleid egy nitrogéntartalmú bázisból, cukorból (dezoxiribóz) és egy foszfátcsoportból áll

Az esetek túlnyomó többségében (kivéve néhány egyszálú DNS-t tartalmazó vírust) a DNS makromolekula két láncból áll, amelyeket nitrogénbázisok orientálnak egymáshoz. Ez a kétszálú molekula csavarvonalban csavarodott.

A DNS-ben négyféle nitrogénbázis található (adenin, guanin, timin és citozin). Az egyik lánc nitrogéntartalmú bázisai hidrogénkötésekkel kapcsolódnak a másik lánc nitrogénbázisaihoz a komplementaritás elve szerint: az adenin csak a timinnel kombinálódik ( NÁL NÉL), guanin - csak citozinnal ( G-C). Ezek a párok alkotják a DNS spirális "létrájának" "fokait" (lásd: 2., 3. és 4. ábra).

Rizs. 2. Nitrogéntartalmú bázisok

A nukleotidok szekvenciája lehetővé teszi az RNS különböző típusaira vonatkozó információk "kódolását", amelyek közül a legfontosabbak az információ vagy templát (mRNS), riboszómális (rRNS) és transzport (tRNS). Az összes ilyen típusú RNS szintetizálódik a DNS-templáton úgy, hogy a DNS-szekvenciát a transzkripció során szintetizált RNS-szekvenciába másolja, és részt vesz a fehérje bioszintézisében (transzlációs folyamat). A sejt-DNS a kódoló szekvenciákon kívül olyan szekvenciákat is tartalmaz, amelyek szabályozó és szerkezeti funkciókat látnak el.

Rizs. 3. DNS replikáció

A DNS-kémiai vegyületek alapvető kombinációinak elhelyezkedése és a kombinációk közötti mennyiségi arányok biztosítják az örökletes információ kódolását.

Oktatás új DNS (replikáció)

1. A replikáció folyamata: a DNS kettős hélix feltekercselése - komplementer szálak szintézise DNS polimeráz által - két DNS-molekula képződése egyből.
2. A kettős hélix két ágra "bontja ki a cipzárt", amikor az enzimek megszakítják a kötést a kémiai vegyületek bázispárjai között.
3. Mindegyik ág egy új DNS elem. Az új bázispárok ugyanabban a sorrendben kapcsolódnak össze, mint a szülőágban.

A duplikáció befejeztével két független hélix jön létre, amelyek az anya-DNS kémiai vegyületeiből jönnek létre, és ugyanazzal a genetikai kóddal rendelkeznek. Ily módon a DNS képes az információt sejtről sejtre hasítani.

Részletesebb információ:

A NULEINSAVAK SZERKEZETE

Rizs. négy . Nitrogénbázisok: adenin, guanin, citozin, timin

Dezoxiribonukleinsav(DNS) nukleinsavakat jelent. Nukleinsavak a szabálytalan biopolimerek osztálya, amelyek monomerjei nukleotidok.

NUKLEOTIDOK magába foglal nitrogén bázis 5 szénhidráthoz (pentóz) kapcsolódik - dezoxiribóz(DNS esetén) ill ribóz(RNS esetén), amely egy foszforsav-maradékkal (H 2 PO 3 -) egyesül.

Nitrogéntartalmú bázisok Két típusa van: pirimidin bázisok - uracil (csak RNS-ben), citozin és timin, purin bázisok - adenin és guanin.

Rizs. 5. ábra: A nukleotidok szerkezete (balra), a nukleotid elhelyezkedése a DNS-ben (lent) és a nitrogénbázisok típusai (jobbra): pirimidin és purin

A pentózmolekulák szénatomjai 1-től 5-ig vannak számozva. A foszfát a harmadik és az ötödik szénatommal egyesül. A nukleinsavak így kapcsolódnak egymáshoz, és így nukleinsavláncot alkotnak. Így izolálhatjuk a DNS-szál 3' és 5' végét:

Rizs. 6. A DNS-szál 3' és 5' végének izolálása

Két DNS szál képződik kettős spirál. Ezek a spirálban lévő láncok ellentétes irányúak. A DNS különböző szálaiban a nitrogénbázisok a segítségével kapcsolódnak egymáshoz hidrogénkötések. Az adenin mindig timinnel, a citozin pedig mindig guaninnal kombinálódik. Ez az úgynevezett komplementaritási szabály.

Komplementaritási szabály:

Például, ha kapunk egy DNS-szálat, amely a szekvenciával rendelkezik

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

akkor a második lánc kiegészíti azt, és az ellenkező irányba irányítja - az 5'-végtől a 3'-végig:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Rizs. 7. A DNS-molekula láncainak iránya és a nitrogénbázisok kapcsolódása hidrogénkötések segítségével

DNS REPLIKÁCIÓ

DNS replikáció egy DNS-molekula megkettőzésének folyamata templátszintézissel. A legtöbb esetben a természetes DNS-replikációalapozómert a DNS-szintézis az rövid részlet (újra létrehozva). Az ilyen ribonukleotid primert a primáz enzim hozza létre (prokariótákban DNS-primáz, eukariótákban DNS-polimeráz), majd ezt követően a dezoxiribonukleotid polimeráz helyettesíti, amely normális esetben javító funkciókat lát el (korrigálja a DNS-molekula kémiai károsodását és törését).

A replikáció félig konzervatív módon történik. Ez azt jelenti, hogy a DNS kettős hélixe feltekerődik, és a komplementaritás elve szerint minden láncon új lánc készül. A leány-DNS-molekula tehát egy szálat tartalmaz a szülőmolekulából és egy újonnan szintetizáltat. A replikáció a szülőszál 3'-5' irányában történik.

Rizs. 8. A DNS-molekula replikációja (duplázódása).

DNS szintézis- ez nem olyan bonyolult folyamat, mint amilyennek első pillantásra tűnhet. Ha belegondolsz, akkor először ki kell találnod, mi a szintézis. Ez az a folyamat, amikor valamit összehozunk. Az új DNS-molekula kialakulása több szakaszban történik:

1) A replikációs villa előtt elhelyezkedő DNS-topoizomeráz elvágja a DNS-t, hogy megkönnyítse a le- és letekercselést.
2) A topoizomerázt követő DNS-helikáz befolyásolja a DNS-hélix "letekercselésének" folyamatát.
3) A DNS-kötő fehérjék elvégzik a DNS-szálak megkötését, valamint stabilizálásukat, megakadályozva azok egymáshoz tapadását.
4) DNS polimeráz δ(delta) , a replikációs villa mozgási sebességével összehangolva végzi a szintézistvezetőláncok leányvállalat DNS a mátrixon 5" → 3" irányban anyai DNS-szálak a 3"-os végétől az 5"-es végéig (sebesség akár 100 bázispár másodpercenként). Ezek az események erről anyai A DNS-szálak korlátozottak.

Rizs. 9. A DNS-replikációs folyamat sematikus ábrázolása: (1) Lemaradó szál (lag szál), (2) Leading szál (vezető szál), (3) DNS polimeráz α (Polα), (4) DNS ligáz, (5) RNS -primer, (6) primáz, (7) Okazaki fragmentum, (8) DNS polimeráz δ (Polδ ), (9) helikáz, (10) egyszálú DNS-kötő fehérjék, (11) topoizomeráz.

A lemaradt leány DNS-szál szintézisét az alábbiakban ismertetjük (lásd alább). rendszer replikációs villa és a replikációs enzimek működése)

A DNS-replikációval kapcsolatos további információkért lásd:

5) Közvetlenül az anyamolekula másik szálának letekercselése és stabilizálása után csatlakozikDNS polimeráz α(alfa)és az 5. irányban "→3" primert (RNS primert) szintetizál - egy DNS-templáton lévő RNS-szekvenciát, amelynek hossza 10-200 nukleotid. Ezt követően az enzimeltávolítjuk a DNS-szálból.

Ahelyett DNS polimerázα az alapozó 3"-os végéhez rögzítve DNS polimerázε .

6) DNS polimerázε (epszilon) mintha továbbra is meghosszabbítja az alapozót, hanem szubsztrátumként beágyazódikdezoxiribonukleotidok(150-200 nukleotid mennyiségben). Ennek eredményeként két részből szilárd szál képződik -RNS(azaz alapozó) és DNS. DNS polimeráz εaddig működik, amíg nem találkozik az előző primeréveltöredék Okazaki(kicsit korábban szintetizálva). Ezt az enzimet ezután eltávolítják a láncból.

7) DNS polimeráz β(béta) áll a helyénDNS polimerázok ε,ugyanabba az irányba mozog (5" → 3"), és eltávolítja a primer ribonukleotidokat, miközben dezoxiribonukleotidokat helyez be a helyükre. Az enzim a primer teljes eltávolításáig fejti ki hatását, azaz. dezoxiribonukleotidig (még inkább korábban szintetizáltDNS polimeráz ε). Az enzim nem képes összekapcsolni munkája eredményét és az előtte lévő DNS-t, így kilép a láncból.

Ennek eredményeként a leány-DNS egy töredéke "fekszik" az anyaszál mátrixán. Ez az úgynevezettOkazaki töredéke.

8) A DNS-ligáz két szomszédos ligát köt össze töredékek Okazaki , azaz 5 "-vége a szegmensnek, szintetizálvaDNS polimeráz ε,és 3" láncvég beépítveDNS polimerázβ .

AZ RNS ​​SZERKEZETE

Ribonukleinsav Az RNS egyike annak a három fő makromolekulának (a másik kettő a DNS és a fehérjék), amelyek minden élő szervezet sejtjében megtalálhatók.

A DNS-hez hasonlóan az RNS is egy hosszú láncból áll, amelyben minden láncszemet hívnak nukleotid. Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból, egy ribózcukorból és egy foszfátcsoportból áll. A DNS-től eltérően azonban az RNS-nek általában egy, nem pedig két szála van. Az RNS-ben a pentózt ribóz képviseli, nem dezoxiribóz (a ribóznak van egy további hidroxilcsoportja a második szénhidrátatomon). Végül a DNS különbözik az RNS-től a nitrogénbázisok összetételében: timin helyett ( T) uracil van jelen az RNS-ben ( U) , amely szintén kiegészíti az adenint.

A nukleotidszekvencia lehetővé teszi az RNS számára, hogy genetikai információt kódoljon. Minden sejtes organizmus RNS-t (mRNS) használ a fehérjeszintézis programozásához.

A sejtes RNS-ek az ún átírása , azaz az RNS szintézise DNS-templáton, amelyet speciális enzimek hajtanak végre - RNS polimerázok.

A hírvivő RNS-ek (mRNS-ek) ezután részt vesznek az ún adás, azok. fehérjeszintézis az mRNS templáton riboszómák részvételével. Más RNS-ek a transzkripció után kémiai módosulásokon mennek keresztül, majd a másodlagos és harmadlagos struktúrák kialakulása után az RNS típusától függő funkciókat látnak el.

Rizs. 10. A DNS és az RNS közötti különbség a nitrogénbázis tekintetében: timin (T) helyett az RNS uracilt (U) tartalmaz, amely szintén komplementer az adeninnel.

ÁTÍRÁS

Ez az RNS-szintézis folyamata egy DNS-templáton. A DNS az egyik helyen feltekerődik. Az egyik lánc olyan információt tartalmaz, amelyet az RNS-molekulára kell másolni – ezt a láncot kódolásnak nevezik. A DNS második szálát, amely komplementer a kódoló szálhoz, templátszálnak nevezzük. A templátláncon 3'-5' irányban (a DNS-lánc mentén) történő transzkripció során egy azzal komplementer RNS-lánc szintetizálódik. Így a kódoló szál RNS-másolata jön létre.

Rizs. 11. A transzkripció sematikus ábrázolása

Például, ha megadjuk a kódoló szál szekvenciáját

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

akkor a komplementaritás szabálya szerint a mátrixlánc viszi a sorozatot

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

és a belőle szintetizált RNS a szekvencia

ADÁS

Fontolja meg a mechanizmust protein szintézis az RNS-mátrixon, valamint a genetikai kódon és annak tulajdonságaiban. Az érthetőség kedvéért az alábbi linken javasoljuk, hogy nézzen meg egy rövid videót az élő sejtben végbemenő átírási és fordítási folyamatokról:

Rizs. 12. A fehérjeszintézis folyamata: a DNS kódolja az RNS-t, az RNS kódolja a fehérjét

GENETIKAI KÓD

Genetikai kód- eljárás fehérjék aminosavszekvenciájának kódolására nukleotidszekvencia felhasználásával. Minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol – egy kodon vagy egy triplett.

A legtöbb pro- és eukarióta genetikai kódja. A táblázat felsorolja mind a 64 kodont és felsorolja a megfelelő aminosavakat. Az alapsorrend az mRNS 5"-től 3"-ig terjed.

1. táblázat: Szabványos genetikai kód

A hármasok között 4 speciális sorozat található, amelyek "írásjelként" működnek:

• *Hármas AUGUSZTUS, amely szintén metionint kódol, az úgynevezett start kodon. Ez a kodon elindítja a fehérje molekula szintézisét. Így a fehérjeszintézis során az első aminosav a szekvenciában mindig a metionin lesz.

• **Hármas ikrek UAA, UAGés UGA hívott stop kodonokés nem kódol semmilyen aminosavat. Ezeknél a szekvenciáknál a fehérjeszintézis leáll.

A genetikai kód tulajdonságai

1. Hármasság. Minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol – egy triplett vagy kodon.

2. Folytonosság. A tripletek között nincsenek további nukleotidok, az információ folyamatosan olvasható.

3. Nem átfedő. Egy nukleotid nem lehet egyszerre két hármas része.

4. Egyediség. Egy kodon csak egy aminosavat kódolhat.

5. Degeneráció. Egy aminosavat több különböző kodon is kódolhat.

6. Sokoldalúság. A genetikai kód minden élő szervezetre azonos.

Példa. Megadjuk a kódoló szál sorrendjét:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

A mátrixlánc sorrendje a következő lesz:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Most információs RNS-t "szintetizálunk" ebből a láncból:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

A fehérjeszintézis 5' → 3' irányba megy, ezért meg kell fordítanunk a szekvenciát, hogy "beolvassuk" a genetikai kódot:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Most keresse meg az AUG kezdőkodont:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Oszd fel a sorozatot hármasokra:

így hangzik: a DNS-ből származó információ átkerül az RNS-be (transzkripció), az RNS-ből a fehérjébe (transzláció). A DNS replikációval is duplikálható, illetve lehetséges a reverz transzkripció folyamata is, amikor RNS-templátból szintetizálják a DNS-t, de ez a folyamat elsősorban a vírusokra jellemző.

Rizs. 13. A molekuláris biológia központi dogmája

GENOM: GÉNEK ÉS KROMOSZÓMÁK

(általános fogalmak)

Genom – egy szervezet összes génjének összessége; teljes kromoszómakészlete.

A "genom" kifejezést G. Winkler javasolta 1920-ban az azonos biológiai fajhoz tartozó szervezetek haploid kromoszómakészletében található gének összességének leírására. A kifejezés eredeti jelentése arra utalt, hogy a genom fogalma a genotípussal ellentétben a faj egészének genetikai jellemzője, nem pedig egy egyedé. A molekuláris genetika fejlődésével ennek a kifejezésnek a jelentése megváltozott. Ismeretes, hogy a DNS, amely a legtöbb szervezetben a genetikai információ hordozója, és ezért a genom alapját képezi, nemcsak a szó mai értelmében vett géneket foglalja magában. Az eukarióta sejtek DNS-ének nagy részét nem kódoló („redundáns”) nukleotidszekvenciák képviselik, amelyek nem tartalmaznak információt a fehérjékről és a nukleinsavakról. Így bármely organizmus genomjának fő része a haploid kromoszómakészlet teljes DNS-e.

A gének olyan DNS-molekulák szegmensei, amelyek polipeptideket és RNS-molekulákat kódolnak.

Az elmúlt évszázad során a génekkel kapcsolatos ismereteink jelentősen megváltoztak. Korábban a genom egy kromoszóma olyan régiója volt, amely egy-egy tulajdonságot kódol vagy meghatároz. fenotípusos(látható) tulajdonság, például szemszín.

1940-ben George Beadle és Edward Tatham javasolta a gén molekuláris meghatározását. A tudósok gomba spórákat dolgoztak fel Neurospora crassa Röntgensugárzás és más olyan szerek, amelyek a DNS-szekvencia változásait okozzák ( mutációk), és olyan mutáns gombatörzseket találtak, amelyek elveszítettek néhány specifikus enzimet, ami egyes esetekben a teljes anyagcsereút megzavarásához vezetett. Beadle és Tatham arra a következtetésre jutott, hogy a gén a genetikai anyag egy része, amely egyetlen enzimet határoz meg vagy kódol. Így a hipotézis "egy gén, egy enzim". Ezt a fogalmat később kiterjesztették a meghatározásra "egy gén - egy polipeptid", mivel sok gén olyan fehérjéket kódol, amelyek nem enzimek, és a polipeptid egy komplex fehérjekomplex alegysége lehet.

ábrán. A 14. ábra azt mutatja be, hogy a DNS-hármasok hogyan határoznak meg egy polipeptidet, egy fehérje aminosavszekvenciáját, amelyet mRNS közvetít. Az egyik DNS-szál az mRNS szintézisében a templát szerepét tölti be, amelynek nukleotidhármasai (kodonjai) komplementerek a DNS-hármasokkal. Egyes baktériumokban és sok eukarióta esetében a kódoló szekvenciákat nem kódoló régiók szakítják meg (ún. intronok).

A gén modern biokémiai meghatározása még konkrétabban. A gének a DNS valamennyi szakasza, amely a végtermékek elsődleges szekvenciáját kódolja, amelyek közé tartoznak a szerkezeti vagy katalitikus funkcióval rendelkező polipeptidek vagy RNS-ek.

A DNS a génekkel együtt más szekvenciákat is tartalmaz, amelyek kizárólag szabályozó funkciót látnak el. Szabályozási szekvenciák jelezheti a gének kezdetét vagy végét, befolyásolhatja a transzkripciót, vagy jelezheti a replikáció vagy rekombináció beindulási helyét. Egyes géneket különböző módon lehet kifejezni, és ugyanaz a DNS-darab szolgál templátként különböző termékek előállításához.

Nagyjából ki tudjuk számolni minimális génméret intermedier fehérjét kódol. A polipeptidláncban minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol; ezeknek a tripletteknek (kodonoknak) a szekvenciája megfelel az adott gén által kódolt polipeptid aminosavláncának. Egy 350 aminosavból álló polipeptidlánc (közepes hosszúságú lánc) 1050 bp hosszúságú szekvenciának felel meg. ( bp). Sok eukarióta gént és néhány prokarióta gént azonban megszakítanak olyan DNS-szegmensek, amelyek nem hordoznak információt a fehérjéről, és ezért sokkal hosszabbnak bizonyulnak, mint azt egy egyszerű számítás mutatja.

Hány gén található egy kromoszómán?

Rizs. 15. Kromoszómák képe prokarióta (balra) és eukarióta sejtekben. A hisztonok a nukleáris fehérjék széles osztályát alkotják, amelyek két fő funkciót látnak el: részt vesznek a DNS-szálak becsomagolásában a sejtmagban és a nukleáris folyamatok epigenetikai szabályozásában, mint például a transzkripció, replikáció és javítás.

Mint tudják, a bakteriális sejteknek DNS-szál formájában van egy kromoszómája, kompakt szerkezetbe csomagolva - egy nukleoidba. prokarióta kromoszóma Escherichia coli, melynek genomja teljesen dekódolt, egy kör alakú DNS-molekula (valójában ez nem egy szabályos kör, hanem egy hurok kezdete és vége nélkül), amely 4 639 675 bp-ból áll. Ez a szekvencia körülbelül 4300 fehérjegént és további 157 gént tartalmaz a stabil RNS-molekulák számára. NÁL NÉL emberi genom körülbelül 3,1 milliárd bázispár, amely 24 különböző kromoszómán található csaknem 29 000 génnek felel meg.

Prokarióták (baktériumok).

Baktérium E. coli egy kétszálú, körkörös DNS-molekulával rendelkezik. 4 639 675 b.p. és eléri a körülbelül 1,7 mm-t, ami meghaladja magának a cellának a hosszát E. coli körülbelül 850 alkalommal. A nukleoid részeként a nagy körkörös kromoszómán kívül sok baktérium tartalmaz egy vagy több kis, körkörös DNS-molekulát, amelyek szabadon helyezkednek el a citoszolban. Ezeket az extrakromoszómális elemeket ún plazmidok(16. ábra).

A legtöbb plazmid csak néhány ezer bázispárból áll, néhány 10 000 bp-nál is többet tartalmaz. Genetikai információt hordoznak, és replikálódnak, hogy leányplazmidokat képezzenek, amelyek a szülősejt osztódása során jutnak be a leánysejtekbe. A plazmidok nemcsak baktériumokban, hanem élesztőben és más gombákban is megtalálhatók. Sok esetben a plazmidok nem nyújtanak előnyt a gazdasejtek számára, és egyetlen feladatuk az önálló szaporodás. Egyes plazmidok azonban a gazdaszervezet számára hasznos géneket hordoznak. Például a plazmidokban lévő gének rezisztenciát biztosíthatnak az antibakteriális szerekkel szemben a baktériumsejtekben. A β-laktamáz gént hordozó plazmidok rezisztenciát biztosítanak a β-laktám antibiotikumokkal szemben, mint például a penicillin és az amoxicillin. A plazmidok átjuthatnak az antibiotikum-rezisztens sejtekből ugyanazon vagy különböző baktériumfajok más sejtjeibe, így ezek a sejtek is rezisztenssé válnak. Az antibiotikumok intenzív használata erőteljes szelektív faktor, amely elősegíti az antibiotikum-rezisztenciát kódoló plazmidok (valamint a hasonló géneket kódoló transzpozonok) terjedését a kórokozó baktériumok között, és több antibiotikummal szemben rezisztens baktériumtörzsek megjelenéséhez vezet. Az orvosok kezdik megérteni az antibiotikumok széles körű használatának veszélyeit, és csak akkor írják fel őket, ha feltétlenül szükséges. Hasonló okok miatt korlátozott az antibiotikumok széles körben elterjedt alkalmazása a haszonállatok kezelésére.

Lásd még: Ravin N.V., Shestakov S.V. Prokarióták genomja // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. No. 4/2. 972-984.

Eukarióták.

2. táblázat: Néhány élőlény DNS-e, génjei és kromoszómái

Jegyzet. Az információ folyamatosan frissül; További naprakész információkért tekintse meg az egyes genomikai projektek webhelyeit.

* Az élesztő kivételével minden eukarióta esetében a diploid kromoszómakészlet adott. diploid készlet kromoszómák (a görög diploos - kettős és eidos - nézetből) - kettős kromoszómakészlet (2n), amelyek mindegyikének van egy homológja.
**Haploid készlet. A vadon élő élesztőtörzsek általában nyolc (oktaploid) vagy több ilyen kromoszómával rendelkeznek.
***Két X-kromoszómával rendelkező nőstények számára. A férfiaknak van X kromoszómája, de nincs Y kromoszómája, azaz csak 11 kromoszómája.

Egy élesztősejt, az egyik legkisebb eukarióta, 2,6-szor több DNS-t tartalmaz, mint egy sejt E. coli(2. táblázat). gyümölcslégysejtek Drosophila, a genetikai kutatás klasszikus tárgya, 35-ször több DNS-t tartalmaz, az emberi sejtek pedig körülbelül 700-szor több DNS-t tartalmaznak, mint a sejtek. E. coli. Sok növény és kétéltű még több DNS-t tartalmaz. Az eukarióta sejtek genetikai anyaga kromoszómák formájában szerveződik. Diploid kromoszómakészlet (2 n) az élőlény típusától függ (2. táblázat).

Például egy emberi szomatikus sejtben 46 kromoszóma van ( rizs. 17). Minden kromoszóma egy eukarióta sejtben, amint az az ábrán látható. 17, a, egy nagyon nagy, kétszálú DNS-molekulát tartalmaz. Huszonnégy emberi kromoszóma (22 páros kromoszóma és két X és Y nemi kromoszóma) hossza több mint 25-ször különbözik egymástól. Minden eukarióta kromoszóma egy meghatározott génkészletet tartalmaz.

Rizs. 17. eukarióta kromoszómák.a- egy pár összekapcsolt és kondenzált testvérkromatid az emberi kromoszómából. Ebben a formában az eukarióta kromoszómák a replikáció után és a mitózis során metafázisban maradnak. b- a könyv egyik szerzőjének leukocitájából származó kromoszómák teljes készlete. Minden normál emberi szomatikus sejt 46 kromoszómát tartalmaz.

Ha összekapcsolja az emberi genom DNS-molekuláit (22 kromoszóma és X és Y kromoszóma vagy X és X kromoszóma), körülbelül egy méter hosszú szekvenciát kapunk. Megjegyzés: Minden emlősben és más heterogametikus hím szervezetben a nőstényeknek két X kromoszómája (XX), a hímeknek pedig egy X kromoszómája és egy Y kromoszómája (XY) van.

A legtöbb emberi sejt, így az ilyen sejtek teljes DNS-hossza körülbelül 2 m. Egy felnőtt embernek körülbelül 10 14 sejtje van, tehát az összes DNS molekula teljes hossza 2・10 11 km. Összehasonlításképpen a Föld kerülete 4・10 4 km, a Föld és a Nap távolsága pedig 1,5・10 8 km. Így van a sejtjeinkben elképesztően tömören csomagolt DNS!

Az eukarióta sejtekben vannak más DNS-t tartalmazó organellumok - ezek a mitokondriumok és a kloroplasztiszok. Számos hipotézist terjesztettek elő a mitokondriális és kloroplasztisz DNS eredetével kapcsolatban. Az általánosan elfogadott álláspont ma az, hogy ezek az ősi baktériumok kromoszómáinak kezdetei, amelyek behatoltak a gazdasejtek citoplazmájába, és ezeknek az organellumoknak az előfutáraivá váltak. A mitokondriális DNS a mitokondriális tRNS-t és rRNS-t, valamint számos mitokondriális fehérjét kódol. A mitokondriális fehérjék több mint 95%-át a nukleáris DNS kódolja.

A GÉNEK SZERKEZETE

Tekintsük a gén szerkezetét prokariótákban és eukariótákban, hasonlóságaikat és különbségeiket. Annak ellenére, hogy egy gén a DNS egy olyan szakasza, amely csak egy fehérjét vagy RNS-t kódol, a közvetlen kódoló részen kívül olyan szabályozó és egyéb szerkezeti elemeket is tartalmaz, amelyek a prokariótákban és az eukariótákban eltérő szerkezettel rendelkeznek.

kódoló szekvencia- a gén fő szerkezeti és funkcionális egysége, benne vannak a kódoló nukleotidhármasokaminosav szekvencia. Kezdőkodonnal kezdődik és stopkodonnal végződik.

A kódoló szekvencia előtt és után vannak nem lefordított 5' és 3' szekvenciák. Szabályozó és kisegítő funkciókat látnak el, például biztosítják a riboszóma mRNS-re való landolását.

A nem transzlált és kódoló szekvenciák egy transzkripciós egységet alkotnak – egy átírt DNS-régiót, azaz egy DNS-régiót, amelyből mRNS szintetizálódik.

Végrehajtó A DNS egy nem átírt régiója a gén végén, ahol az RNS szintézis leáll.

A gén elején az szabályozási terület, ami magában foglalja promóterés operátor.

promóter- a szekvencia, amellyel a polimeráz a transzkripció iniciálása során kötődik. Operátor- ez az a terület, amelyhez speciális fehérjék kötődhetnek - elnyomók, amely csökkentheti az RNS szintézis aktivitását ebből a génből – más szóval csökkentheti kifejezés.

A gének szerkezete prokariótákban

A prokarióták és eukarióták gének szerkezetének általános terve nem különbözik egymástól - mindkettő tartalmaz egy szabályozó régiót egy promoterrel és egy operátorral, egy transzkripciós egységet kódoló és nem transzlált szekvenciákkal, valamint egy terminátort. A gének szerveződése azonban a prokariótákban és az eukariótákban eltérő.

Rizs. 18. A gén szerkezetének vázlata prokariótákban (baktériumokban) -a kép ki van nagyítva

Az operon elején és végén több szerkezeti gén közös szabályozó régiói vannak. Az operon átírt régiójából egy mRNS molekula kerül kiolvasásra, amely több kódoló szekvenciát tartalmaz, amelyek mindegyikének saját start- és stopkodonja van. Mindegyik területrőlegy fehérje szintetizálódik. Ily módon Egy i-RNS molekulából több fehérjemolekula szintetizálódik.

A prokariótákra több gén egyetlen funkcionális egységgé történő kombinációja jellemző. operon. Az operon munkáját más gének is szabályozhatják, amelyek észrevehetően eltávolíthatók magából az operonból - szabályozók. Az ebből a génből lefordított fehérjét ún represszor. Az operon kezelőjéhez kötődik, egyszerre szabályozza a benne lévő összes gén expresszióját.

A prokariótákra is jellemző a jelenség átírási és fordítási ragozások.

Rizs. 19 A transzkripció és a transzláció konjugációjának jelensége prokariótákban - a kép ki van nagyítva

Ez a párosítás nem fordul elő eukariótákban, mivel a sejtmag burokja elválasztja a citoplazmát, ahol a transzláció megtörténik, a genetikai anyagtól, amelyen a transzkripció megtörténik. A prokariótákban az RNS DNS-templáton történő szintézise során egy riboszóma azonnal kötődhet a szintetizált RNS-molekulához. Így a fordítás még az átírás befejezése előtt megkezdődik. Ezen túlmenően több riboszóma egyidejűleg kötődhet egy RNS-molekulához, és egy fehérje több molekuláját szintetizálja egyszerre.

A gének szerkezete az eukariótákban

Az eukarióták génjei és kromoszómái nagyon bonyolultan szerveződnek.

Sok faj baktériumának csak egy kromoszómája van, és szinte minden esetben minden kromoszómán található minden gén egy-egy példánya. Csak néhány gén, például az rRNS gének találhatók több másolatban. Gének és szabályozó szekvenciák alkotják a prokarióták szinte teljes genomját. Ráadásul szinte minden gén szigorúan megfelel az általa kódolt aminosav-szekvenciának (vagy RNS-szekvenciának) (14. ábra).

Az eukarióta gének szerkezeti és funkcionális felépítése sokkal összetettebb. Az eukarióta kromoszómák tanulmányozása, majd a teljes eukarióta genomszekvenciák szekvenálása számos meglepetést hozott. Sok, ha nem a legtöbb eukarióta génnek van egy érdekes tulajdonsága: nukleotidszekvenciájuk egy vagy több olyan DNS-régiót tartalmaz, amely nem kódolja a polipeptidtermék aminosavszekvenciáját. Az ilyen nem lefordított inszertek megzavarják a közvetlen megfelelést a gén nukleotidszekvenciája és a kódolt polipeptid aminosavszekvenciája között. Ezeket a nem lefordított szegmenseket a génekben ún intronok, vagy beépített sorozatok, és a kódoló szegmensek exonok. A prokariótákban csak néhány gén tartalmaz intronokat.

Tehát az eukariótákban gyakorlatilag nincs gének kombinációja operonokká, és az eukarióta gén kódoló szekvenciája leggyakrabban transzlált régiókra oszlik. - exonok, és le nem fordított szakaszok - intronok.

A legtöbb esetben az intronok funkcióját nem állapították meg. Általánosságban elmondható, hogy az emberi DNS-nek csak körülbelül 1,5%-a "kódol", azaz információt hordoz fehérjékről vagy RNS-ről. A nagy intronokat figyelembe véve azonban kiderül, hogy az emberi DNS 30%-a génekből áll. Mivel a gének viszonylag kis hányadát teszik ki az emberi genomnak, jelentős mennyiségű DNS-t nem számolnak fel.

Rizs. 16. A gén szerkezetének vázlata eukariótákban - a kép ki van nagyítva

Minden génből először egy éretlen vagy pre-RNS szintetizálódik, amely intronokat és exonokat is tartalmaz.

Ezt követően megtörténik a splicing folyamat, melynek eredményeként az intronrégiók kivágásra kerülnek, és érett mRNS képződik, amelyből fehérje szintetizálható.

Rizs. 20. Alternatív illesztési eljárás - a kép ki van nagyítva

A gének ilyen szerveződése lehetővé teszi például azt, hogy egy génből egy fehérje különböző formái szintetizálhatók, mivel a splicing során az exonok különböző szekvenciákba fuzionálhatók.

Rizs. 21. Különbségek a prokarióták és eukarióták génjeinek szerkezetében - a kép ki van nagyítva

MUTÁCIÓK ÉS MUTAGÉZIS

mutáció a genotípus perzisztens változásának, azaz a nukleotidszekvencia változásának nevezzük.

A mutációhoz vezető folyamatot ún mutagenezis, és a szervezet összes amelynek sejtjei ugyanazt a mutációt hordozzák mutáns.

mutációs elmélet Hugh de Vries fogalmazta meg először 1903-ban. Modern változata a következő rendelkezéseket tartalmazza:

1. A mutációk hirtelen, hirtelen jönnek létre.

2. A mutációk nemzedékről nemzedékre öröklődnek.

3. A mutációk lehetnek előnyösek, károsak vagy semlegesek, dominánsak vagy recesszívek.

4. A mutációk kimutatásának valószínűsége a vizsgált egyedek számától függ.

5. Hasonló mutációk ismétlődően előfordulhatnak.

6. A mutációk nem irányítottak.

A mutációk különböző tényezők hatására fordulhatnak elő. Különbséget kell tenni az által okozott mutációk között mutagén hatások: fizikai (pl. ultraibolya vagy sugárzás), kémiai (pl. kolchicin vagy reaktív oxigénfajták) és biológiai (pl. vírusok). Mutációk is előidézhetők replikációs hibák.

Attól függően, hogy a feltételek a megjelenése mutációk vannak osztva spontán- vagyis normál körülmények között keletkezett mutációk, ill indukált- vagyis speciális körülmények között keletkezett mutációk.

Mutációk nem csak a nukleáris DNS-ben fordulhatnak elő, hanem például a mitokondriumok vagy a plasztidok DNS-ében is. Ennek megfelelően meg tudjuk különböztetni nukleárisés citoplazmatikus mutációk.

A mutációk fellépése következtében gyakran új allélok jelenhetnek meg. Ha a mutáns allél felülírja a normál allélt, a mutációt hívják uralkodó. Ha a normál allél elnyomja a mutált allélt, a mutációt hívják recesszív. A legtöbb olyan mutáció, amely új allélokat eredményez, recesszív.

A mutációkat hatás alapján különböztetjük meg alkalmazkodó, ami a szervezet környezethez való alkalmazkodóképességének növekedéséhez vezet, semleges amelyek nem befolyásolják a túlélést káros amelyek csökkentik a szervezetek alkalmazkodóképességét a környezeti feltételekhez és halálos ami a szervezet halálához vezet a fejlődés korai szakaszában.

A következmények szerint mutációkat különböztetünk meg, amelyek a fehérjefunkció elvesztése, olyan mutációk, amelyek a megjelenése a fehérje új funkciót kapott, valamint olyan mutációk, amelyek módosítsa egy gén dózisát, és ennek megfelelően a belőle szintetizált fehérje adagja.

A mutáció a test bármely sejtjében előfordulhat. Ha egy csírasejtben mutáció következik be, azt ún magzati(csíra, vagy generatív). Az ilyen mutációk nem abban a szervezetben jelennek meg, amelyben megjelentek, hanem mutánsok megjelenéséhez vezetnek az utódokban, és öröklődnek, ezért fontosak a genetika és az evolúció szempontjából. Ha a mutáció bármely más sejtben fellép, akkor ún szomatikus. Egy ilyen mutáció bizonyos mértékig megnyilvánulhat abban a szervezetben, amelyben keletkezett, például rákos daganatok kialakulásához vezethet. Az ilyen mutáció azonban nem öröklődik, és nem érinti az utódokat.

A mutációk a genom különböző méretű részeit érinthetik. Kioszt genetikai, kromoszómálisés genomikus mutációk.

Génmutációk

Az egy génnél kisebb léptékben előforduló mutációkat nevezzük genetikai, vagy pontozott (pontozott). Az ilyen mutációk a szekvenciában egy vagy több nukleotid megváltozásához vezetnek. A génmutációk közé tartozikhelyettesítések, ami az egyik nukleotid helyettesítéséhez vezet egy másikkal,törlések ami az egyik nukleotid elvesztéséhez vezet,beszúrások, ami egy további nukleotid hozzáadásához vezet a szekvenciához.

Rizs. 23. Gén(pont)mutációk

A fehérje hatásmechanizmusa szerint a génmutációk a következőkre oszthatók:szinonim, amelyek (a genetikai kód degenerációja következtében) nem vezetnek a fehérjetermék aminosav-összetételének változásához,missense mutációk amelyek az egyik aminosav másikkal való helyettesítéséhez vezetnek, és befolyásolhatják a szintetizált fehérje szerkezetét, bár gyakran jelentéktelenek,nonszensz mutációk, ami a kódoló kodon lecseréléséhez vezet egy stopkodonra,-hoz vezető mutációk splicing rendellenesség:

Rizs. 24. Mutációs sémák

Ezenkívül a fehérjére gyakorolt ​​​​hatásmechanizmus szerint mutációkat izolálnak, amelyek a keretváltás olvasmányok mint a beszúrások és törlések. Az ilyen mutációk, mint a nonszensz mutációk, bár a gén egy pontján fordulnak elő, gyakran befolyásolják a fehérje teljes szerkezetét, ami a szerkezetének teljes megváltozásához vezethet.

Rizs. 29. Kromoszóma duplikáció előtt és után

Genomi mutációk

Végül, genomi mutációk az egész genomot érintik, vagyis a kromoszómák száma megváltozik. Megkülönböztetik a poliploidiát - a sejt ploidiájának növekedését és az aneuploidiát, vagyis a kromoszómák számának változását, például triszómia (egy további homológ jelenléte az egyik kromoszómában) és monoszómia (a kromoszómák hiánya). homológ a kromoszómában).

Videó a DNS-hez kapcsolódik

DNS REPLIKÁCIÓ, RNS KÓDOLÁS, FEHÉRJESZINTÉZIS