ДНК молекула: нива на структурна организация. Структура на ДНК молекулата

Нуклеиновите киселини са високомолекулни вещества, състоящи се от мононуклеотиди, които са свързани помежду си в полимерна верига с помощта на 3", 5" фосфодиестерни връзки и са пакетирани в клетките по определен начин.

Нуклеиновите киселини са биополимери от два вида: рибонуклеинова киселина (РНК) и дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Всеки биополимер се състои от нуклеотиди, които се различават по въглехидратния остатък (рибоза, дезоксирибоза) и една от азотните бази (урацил, тимин). Според тези различия нуклеиновите киселини са получили името си.

Структура на дезоксирибонуклеиновата киселина

Нуклеиновите киселини имат първична, вторична и третична структура.

Първична структура на ДНК

Първичната структура на ДНК е линейна полинуклеотидна верига, в която мононуклеотидите са свързани с 3", 5" фосфодиестерни връзки. Изходният материал за сглобяването на верига от нуклеинова киселина в клетка е 5"-трифосфат нуклеозид, който в резултат на отстраняването на остатъците от β и γ фосфорна киселина е способен да прикрепи 3" въглероден атом на друг нуклеозид . По този начин, 3" въглероден атом на една дезоксирибоза е ковалентно свързан с 5" въглероден атом на друга дезоксирибоза чрез единичен остатък от фосфорна киселина и образува линейна полинуклеотидна верига от нуклеинова киселина. Оттук и името: 3", 5" фосфодиестерни връзки. Азотните бази не участват в свързването на нуклеотидите на една верига (фиг. 1.).

Такава връзка между остатъка на молекулата на фосфорната киселина на един нуклеотид и въглехидрата на друг води до образуването на пентозо-фосфатен скелет на полинуклеотидната молекула, към който една след друга са прикрепени азотни бази. Последователността им на подреждане в молекулни вериги нуклеинова киселинастрого специфични за клетките на различни организми, т.е. има специфичен характер (правилото на Чаргаф).

Една линейна ДНК верига, чиято дължина зависи от броя на нуклеотидите, включени във веригата, има два края: единият се нарича 3" край и съдържа свободен хидроксил, а другият се нарича 5" край и съдържа фосфорна киселинен остатък. Веригата е полярна и може да има посока 5"->3" и 3"->5". Изключение прави кръговата ДНК.

Генетичният "текст" на ДНК е съставен от кодови "думи" - триплети от нуклеотиди, наречени кодони. Участъци от ДНК, съдържащи информация за първичната структура на всички видове РНК, се наричат ​​структурни гени.

Полинуклеотидните ДНК вериги достигат гигантски размери, така че те са пакетирани по определен начин в клетката.

Докато изучава състава на ДНК, Чаргаф (1949) установява важни модели по отношение на съдържанието на отделните ДНК бази. Те помогнаха да се разкрие вторичната структура на ДНК. Тези модели се наричат ​​правила на Чаргаф. Правилата на Чаргаф сумата от пуриновите нуклеотиди е равна на сумата от пиримидиновите нуклеотиди, т.е. A+G / C+T = 1 съдържанието на аденин е равно на съдържанието на тимин (A = T, или A/T = 1); съдържанието на гуанин е равно на съдържанието на цитозин (G = C или G/C = 1); броят на 6-амино групите е равен на броя на 6-кето групите на базите, съдържащи се в ДНК: G + T = A + C; променлива е само сумата от A + T и G + C. Ако A + T > G-C, тогава това е AT тип ДНК; ако G+C > A+T, тогава това е GC тип ДНК. Тези правила показват, че при конструирането на ДНК трябва да се спазва доста строго съответствие (сдвояване) не на пуриновите и пиримидиновите бази като цяло, а конкретно на тимина с аденина и цитозина с гуанина. Въз основа на тези правила през 1953 г. Уотсън и Крик предлагат модел на вторичната структура на ДНК, наречена двойна спирала (фиг.).

Вторична структура на ДНК

Вторичната структура на ДНК е двойна спирала, чийто модел е предложен от Д. Уотсън и Ф. Крик през 1953 г.

Предпоставки за създаване на ДНК модел

В резултат на първоначалните анализи се смяташе, че ДНК от всякакъв произход съдържа всичките четири нуклеотида в еднакви моларни количества. Въпреки това, през 40-те години на миналия век Е. Чаргаф и колегите му, в резултат на анализ на ДНК, изолирана от различни организми, ясно показаха, че те съдържат азотни основи в различни количествени съотношения. Чаргаф установи, че въпреки че тези съотношения са еднакви за ДНК от всички клетки на един и същи вид организъм, ДНК от различни видове може да се различава значително в съдържанието на определени нуклеотиди. Това предполага, че разликите в съотношението на азотните бази може да са свързани с някакъв вид биологичен код. Въпреки че съотношението на отделните пуринови и пиримидинови бази в различни ДНК проби се оказа различно, при сравняване на резултатите от теста се появи определен модел: във всички проби общият брой пурини беше равен на общия брой пиримидини (A + G = T + C), количеството аденин е равно на количеството тимин (A = T), а количеството гуанин е количеството цитозин (G = C). ДНК, изолирана от клетки на бозайници, като цяло е по-богата на аденин и тимин и относително по-бедна на гуанин и цитозин, докато ДНК от бактерии е по-богата на гуанин и цитозин и относително по-бедна на аденин и тимин. Тези данни формират важна част от фактическия материал, въз основа на който по-късно е изграден моделът на Уотсън-Крик за структурата на ДНК.

Друга важна индиректна индикация за възможната структура на ДНК е предоставена от данните на L. Pauling за структурата на протеиновите молекули. Полинг показа, че са възможни няколко различни стабилни конфигурации на аминокиселинната верига в протеинова молекула. Една обща конфигурация на пептидна верига, α-спиралата, е правилна спирална структура. С тази структура е възможно образуването на водородни връзки между аминокиселини, разположени на съседни завъртания на веригата. Полинг описва α-спиралната конфигурация на полипептидната верига през 1950 г. и предполага, че ДНК молекулите вероятно имат спирална структура, задържана на място от водородни връзки.

Но най-ценната информация за структурата на молекулата на ДНК е предоставена от резултатите от рентгенов дифракционен анализ. Рентгеновите лъчи, преминаващи през ДНК кристал, се подлагат на дифракция, т.е. те се отклоняват в определени посоки. Степента и естеството на отклонението на лъчите зависи от структурата на самите молекули. Рентгеновата дифракционна картина (фиг. 3) дава на опитното око редица косвени указания относно структурата на молекулите на изследваното вещество. Анализът на рентгенови дифракционни модели на ДНК доведе до заключението, че азотните бази (които имат плоска форма) са подредени като купчина плочи. Рентгеновите дифракционни модели разкриха три основни периода в структурата на кристалната ДНК: 0,34, 2 и 3,4 nm.

ДНК модел на Watson-Crick

Въз основа на аналитичните данни на Чаргаф, рентгеновите модели на Уилкинс и изследванията на химици, които предоставят информация за точните разстояния между атомите в една молекула, ъглите между връзките на даден атом и размера на атомите, Уотсън и Крик започва да изгражда физически модели на отделните компоненти на ДНК молекулата в определен мащаб и да ги „нагажда“ един към друг по такъв начин, че получената система да съответства на различни експериментални данни [покажи] .

Още по-рано беше известно, че съседните нуклеотиди в една ДНК верига са свързани чрез фосфодиестерни мостове, свързващи 5"-въглеродния дезоксирибозен атом на един нуклеотид с 3"-въглеродния дезоксирибозен атом на следващия нуклеотид. Уотсън и Крик не се съмняват, че периодът от 0,34 nm съответства на разстоянието между последователните нуклеотиди във веригата на ДНК. Освен това може да се приеме, че периодът от 2 nm съответства на дебелината на веригата. И за да обяснят на каква реална структура съответства периодът от 3,4 nm, Уотсън и Крик, както и Полинг по-рано, предполагат, че веригата е усукана под формата на спирала (или по-точно образува спирална линия, тъй като спирала в тесния смисъл на тези думи се получава, когато намотките образуват конична, а не цилиндрична повърхност в пространството). Тогава период от 3,4 nm ще съответства на разстоянието между последователните завои на тази спирала. Такава спирала може да бъде много плътна или донякъде опъната, т.е. нейните завои могат да бъдат плоски или стръмни. Тъй като периодът от 3,4 nm е точно 10 пъти разстоянието между последователните нуклеотиди (0,34 nm), ясно е, че всеки пълен оборот на спиралата съдържа 10 нуклеотида. От тези данни Уотсън и Крик успяха да изчислят плътността на полинуклеотидна верига, усукана в спирала с диаметър 2 nm, с разстояние между навивките 3,4 nm. Оказа се, че такава верига ще има плътност, която е наполовина от действителната плътност на ДНК, която вече беше известна. Трябваше да приема, че молекулата на ДНК се състои от две вериги – че е двойна спирала от нуклеотиди.

Следващата задача беше, разбира се, да се изяснят пространствените отношения между двете вериги, образуващи двойната спирала. След като изпробваха редица опции за подреждане на веригите на техния физически модел, Уотсън и Крик откриха, че всички налични данни най-добре съответстват на опцията, при която две полинуклеотидни спирали вървят в противоположни посоки; в този случай веригите, състоящи се от захарни и фосфатни остатъци, образуват повърхността на двойната спирала, а пурините и пиримидините са разположени вътре. Базите, разположени една срещу друга, принадлежащи към две вериги, са свързани по двойки чрез водородни връзки; Именно тези водородни връзки държат веригите заедно, като по този начин фиксират цялостната конфигурация на молекулата.

Двойната спирала на ДНК може да си представим като въжена стълба, която е усукана по спираловиден начин, така че стъпалата й да останат хоризонтални. Тогава двете надлъжни въжета ще съответстват на вериги от захарни и фосфатни остатъци, а напречните ленти ще съответстват на двойки азотни бази, свързани с водородни връзки.

В резултат на по-нататъшно проучване на възможните модели Уотсън и Крик стигнаха до заключението, че всяка "напречна лента" трябва да се състои от един пурин и един пиримидин; при период от 2 nm (съответстващ на диаметъра на двойната спирала), няма да има достатъчно място за два пурина и двата пиримидина не могат да бъдат достатъчно близо един до друг, за да образуват правилни водородни връзки. Задълбочено проучване на подробния модел показа, че аденинът и цитозинът, макар и да образуват комбинация с подходящ размер, все пак не могат да бъдат позиционирани по такъв начин, че между тях да се образуват водородни връзки. Подобни съобщения наложиха изключването на комбинацията гуанин – тимин, докато комбинациите аденин – тимин и гуанин – цитозин се оказаха съвсем приемливи. Природата на водородните връзки е такава, че аденинът образува двойка с тимин, а гуанинът с цитозин. Тази идея за специфично базово сдвояване направи възможно да се обясни "правилото на Чаргаф", според което във всяка ДНК молекула количеството аденин винаги е равно на съдържанието на тимин, а количеството гуанин винаги е равно на количеството на цитозин. Между аденин и тимин се образуват две водородни връзки, а между гуанин и цитозин три. Поради тази специфичност, образуването на водородни връзки срещу всеки аденин в едната верига предизвиква образуването на тимин в другата; по същия начин само цитозинът може да бъде срещу всеки гуанин. По този начин веригите са комплементарни една на друга, тоест последователността от нуклеотиди в едната верига еднозначно определя тяхната последователност в другата. Двете вериги се движат в противоположни посоки и техните крайни фосфатни групи са в противоположните краища на двойната спирала.

В резултат на своите изследвания през 1953 г. Уотсън и Крик предлагат модел на структурата на ДНК молекулата (фиг. 3), който остава актуален и до днес. Според модела молекулата на ДНК се състои от две комплементарни полинуклеотидни вериги. Всяка ДНК верига е полинуклеотид, състоящ се от няколко десетки хиляди нуклеотиди. В него съседните нуклеотиди образуват правилен пентозо-фосфатен скелет поради свързването на остатък от фосфорна киселина и дезоксирибоза чрез силна ковалентна връзка. Азотните бази на едната полинуклеотидна верига са подредени в строго определен ред срещу азотните бази на другата. Редуването на азотни бази в полинуклеотидната верига е неправилно.

Подреждането на азотните бази в ДНК веригата е комплементарно (от гръцки „комплемент“ - добавяне), т.е. Тиминът (Т) винаги е срещу аденин (А) и само цитозин (С) е срещу гуанин (G). Това се обяснява с факта, че A и T, както и G и C, строго съответстват един на друг, т.е. взаимно се допълват. Това съответствие се определя от химическата структура на базите, която позволява образуването на водородни връзки в двойката пурин и пиримидин. Има две връзки между A и T и три между G и C. Тези връзки осигуряват частична стабилизация на ДНК молекулата в пространството. Стабилността на двойната спирала е право пропорционална на броя G≡C връзки, които са по-стабилни в сравнение с A=T връзките.

Известната последователност на подреждане на нуклеотидите в една верига на ДНК позволява, съгласно принципа на комплементарността, да се установят нуклеотидите на друга верига.

Освен това е установено, че азотните бази с ароматна структура във воден разтвор са разположени една над друга, образувайки, така да се каже, купчина монети. Този процес на формиране на купчини от органични молекули се нарича наслагване. Полинуклеотидните вериги на молекулата на ДНК на разглеждания модел на Watson-Crick имат подобно физикохимично състояние, техните азотни бази са подредени под формата на купчина монети, между равнините на които възникват взаимодействия на Ван дер Ваалс (взаимодействия на подреждане).

Водородните връзки между комплементарни бази (хоризонтално) и взаимодействията на наслагване между равнините на бази в полинуклеотидна верига, дължащи се на силите на Ван дер Ваалс (вертикално), осигуряват на ДНК молекулата допълнителна стабилизация в пространството.

Захарнофосфатните гръбнаци на двете вериги са обърнати навън, а основите са обърнати навътре, една към друга. Посоката на веригите в ДНК е антипаралелна (едната от тях е с посока 5"->3", другата - 3"->5", т.е. краят 3" на едната верига е разположен срещу края на 5" на другият.). Веригите образуват десни спирали с обща ос. Един оборот на спиралата е 10 нуклеотида, размерът на оборота е 3,4 nm, височината на всеки нуклеотид е 0,34 nm, диаметърът на спиралата е 2,0 nm. В резултат на въртенето на една верига около друга се образуват голяма бразда (с диаметър около 20 Å) и малка бразда (с диаметър около 12 Å) на двойната спирала на ДНК. Тази форма на двойната спирала на Watson-Crick по-късно е наречена B-форма. В клетките ДНК обикновено съществува във форма B, която е най-стабилна.

Функции на ДНК

Предложеният модел обяснява много биологични свойства на дезоксирибонуклеиновата киселина, включително съхранението на генетична информация и разнообразието от гени, осигурени от голямо разнообразие от последователни комбинации от 4 нуклеотида и факта на съществуването на генетичен код, способността за самовъзпроизвеждане и предават генетична информация, предоставена от процеса на репликация, и внедряването на генетична информация под формата на протеини, както и всякакви други съединения, образувани с помощта на ензимни протеини.

Основни функции на ДНК.

1. ДНК е носител на генетична информация, която се осигурява от наличието на генетичен код.
2. Възпроизвеждане и предаване на генетична информация през поколения клетки и организми. Тази функционалност се осигурява от процеса на репликация.
3. Внедряване на генетична информация под формата на протеини, както и всякакви други съединения, образувани с помощта на ензимни протеини. Тази функция се осигурява от процесите на транскрипция и транслация.

Форми на организация на двойноверижна ДНК

ДНК може да образува няколко вида двойни спирали (фиг. 4). В момента вече са известни шест форми (от A до E и Z-форма).

Структурните форми на ДНК, както установи Розалинд Франклин, зависят от наситеността на молекулата на нуклеиновата киселина с вода. При изследванията на ДНК влакна с помощта на рентгенов дифракционен анализ беше показано, че рентгеновата картина радикално зависи от относителната влажност на каква степен на насищане с вода на това влакно се провежда експериментът. Ако влакното е достатъчно наситено с вода, тогава се получава една рентгенова снимка. Когато се изсуши, се появи напълно различна рентгенова картина, много различна от рентгеновата картина на влакна с висока влажност.

ДНК молекулата с висока влажност се нарича В-форма. При физиологични условия (ниска концентрация на сол, висока степен на хидратация) доминиращият структурен тип на ДНК е В-формата (основната форма на двойноверижната ДНК - моделът на Watson-Crick). Стъпката на спиралата на такава молекула е 3,4 nm. Има 10 допълващи се двойки на ход под формата на усукани купчини „монети“ - азотни основи. Купчините се държат заедно чрез водородни връзки между две противоположни „монети“ на купчините и са „навити“ от две ленти от фосфодиестерен гръбнак, усукани в дясна спирала. Равнините на азотните бази са перпендикулярни на оста на спиралата. Съседните допълващи се двойки се завъртат една спрямо друга на 36°. Диаметърът на спиралата е 20Å, като пуриновият нуклеотид заема 12Å, а пиримидиновият нуклеотид 8Å.

ДНК молекулата с по-ниска влажност се нарича А-форма. А-формата се образува при условия на по-малко висока хидратация и при по-високо съдържание на Na + или K + йони. Тази по-широка дясна спирална конформация има 11 базови двойки на завой. Равнините на азотните бази имат по-силен наклон към оста на спиралата, те са отклонени от нормалата към оста на спиралата с 20°. Това предполага наличието на вътрешна кухина с диаметър 5Å. Разстоянието между съседните нуклеотиди е 0,23 nm, дължината на оборота е 2,5 nm, а диаметърът на спиралата е 2,3 nm.

Първоначално се смяташе, че A формата на ДНК е по-малко важна. По-късно обаче стана ясно, че А-формата на ДНК, както и В-формата, имат огромно биологично значение. РНК-ДНК спиралата в комплекса матрица-праймер има А-форма, както и РНК-РНК спирала и РНК фибелни структури (2'-хидроксилната група на рибозата пречи на РНК молекулите да образуват В-формата). А-формата на ДНК се намира в спорите. Установено е, че А-формата на ДНК е 10 пъти по-устойчива на UV лъчи от В-формата.

A-формата и B-формата се наричат ​​канонични форми на ДНК.

Формуляри C-Eсъщо десни, тяхното образуване може да се наблюдава само в специални експерименти и, очевидно, те не съществуват in vivo. С формата на ДНК има структура, подобна на В ДНК. Броят на базовите двойки на завъртане е 9,33, дължината на завоя на спиралата е 3,1 nm. Базовите двойки са наклонени под ъгъл от 8 градуса спрямо перпендикулярното положение спрямо оста. Жлебовете са подобни по размер на жлебовете на В-ДНК. В този случай основната бразда е малко по-плитка, а малката бразда е по-дълбока. Естествените и синтетичните ДНК полинуклеотиди могат да се трансформират в С-форма.

Таблица 1. Характеристики на някои видове ДНК структури
Тип спирала	А	б	З
Спирална стъпка	0,32 nm	3,38 nm	4,46 nm
Спираловидно усукване	вярно	вярно	Наляво
Брой базови двойки на ход	11	10	12
Разстояние между базовите равнини	0,256 nm	0,338 nm	0,371 nm
Конформация на гликозидна връзка	анти	анти	анти-C грях-G
Конформация на фуранозния пръстен	C3"-ендо	C2"-ендо	C3"-ендо-G C2"-ендо-C
Ширина на канала, малка/голяма	1,11/0,22 nm	0,57/1,17 nm	0,2/0,88 nm
Дълбочина на канала, малка/голяма	0,26/1,30 nm	0,82/0,85 nm	1,38/0,37 nm
Диаметър на спиралата	2,3 nm	2,0 nm	1,8 nm

Структурни елементи на ДНК
(неканонични ДНК структури)

Структурните елементи на ДНК включват необичайни структури, ограничени от някои специални последователности:

Z-форма ДНК - образува се на места на B-форма ДНК, където пурините се редуват с пиримидини или в повторения, съдържащи метилиран цитозин. Палиндромите са обърнати последователности, обърнати повторения на базови последователности, които имат симетрия от втори ред по отношение на две ДНК вериги и образуват „фиби“ и „кръстове“. Н-формата на ДНК и тройните спирали на ДНК се образуват, когато има участък, съдържащ само пурини в една верига на нормален дуплекс на Watson-Crick, а във втората верига, съответно, пиримидини, допълващи ги. G-квадруплекс (G-4) е спирала с четири вериги на ДНК, където 4 гуанинови бази от различни вериги образуват G-квартети (G-тетради), държани заедно чрез водородни връзки, за да образуват G-квадруплекси.

Z-образна ДНКе открит през 1979 г. при изследване на хексануклеотида d(CG)3 -. Открит е от професора на MIT Александър Рич и колегите му. Z-формата се е превърнала в един от най-важните структурни елементи на ДНК поради факта, че нейното образуване е наблюдавано в области на ДНК, където пурините се редуват с пиримидини (например 5'-GCGCGC-3'), или в повторения 5 '-CGCGCG-3', съдържащ метилиран цитозин. Съществено условие за образуването и стабилизирането на Z-ДНК е наличието на пуринови нуклеотиди в него в син конформация, редуващи се с пиримидинови бази в анти конформация.

Естествените ДНК молекули съществуват главно в дясна B-форма, освен ако не съдържат последователности като (CG)n. Въпреки това, ако такива последователности са част от ДНК, тогава тези участъци, когато йонната сила на разтвора или катионите, които неутрализират отрицателния заряд на фосфодиестерната рамка се променят, тези участъци могат да се трансформират в Z-форма, докато други участъци на ДНК в веригата остава в класическата B-форма. Възможността за такъв преход показва, че двете вериги в двойната спирала на ДНК са в динамично състояние и могат да се развиват една спрямо друга, преминавайки от дясната форма към лявата и обратно. Биологичните последици от такава лабилност, която позволява конформационни трансформации на структурата на ДНК, все още не са напълно разбрани. Смята се, че участъци от Z-ДНК играят определена роля в регулирането на експресията на определени гени и участват в генетичната рекомбинация.

Z-формата на ДНК е лява двойна спирала, в която фосфодиестерният скелет е разположен в зигзагообразен модел по протежение на оста на молекулата. Оттам и името на молекулата (зигзаг)-ДНК. Z-ДНК е най-малко усуканата (12 базови двойки на ход) и най-тънката ДНК, известна в природата. Разстоянието между съседните нуклеотиди е 0,38 nm, дължината на оборота е 4,56 nm, а диаметърът на Z-ДНК е 1,8 nm. Освен това, външен видТази ДНК молекула се отличава с наличието на една бразда.

Z формата на ДНК е открита в прокариотни и еукариотни клетки. Вече са получени антитела, които могат да разграничат Z-формата от B-формата на ДНК. Тези антитела се свързват с определени области на гигантските хромозоми на клетките на слюнчените жлези на Drosophila (Dr. melanogaster). Реакцията на свързване е лесна за наблюдение поради необичайната структура на тези хромозоми, в която по-плътните региони (дискове) контрастират с по-малко плътните региони (интердискове). Z-ДНК областите са разположени в интердисковете. От това следва, че Z-формата действително съществува в естествени условия, въпреки че размерите на отделните участъци от Z-формата все още не са известни.

(инвертори) са най-известните и често срещани базови последователности в ДНК. Палиндромът е дума или фраза, която се чете по един и същ начин отляво надясно и обратно. Примери за такива думи или фрази са: КОЛИБА, КАЗАК, НАВОДНЕНИЕ И РОЗАТА ПАДНА НА АЗОРСКАТА ЛАПА. Когато се прилага за ДНК участъци, този термин (палиндром) означава същото редуване на нуклеотиди по веригата от дясно на ляво и от ляво на дясно (като буквите в думата „хижа“ и т.н.).

Палиндромът се характеризира с наличието на обърнати повторения на базови последователности, които имат симетрия от втори ред спрямо две ДНК вериги. Такива последователности, по очевидни причини, са самодопълващи се и са склонни да образуват фиби или кръстовидни структури (фиг.). Фибите помагат на регулаторните протеини да разпознаят къде е копиран генетичният текст на хромозомната ДНК.

Когато на същата ДНК верига присъства обърнато повторение, последователността се нарича огледално повторение. Огледалните повторения нямат свойства на самодопълване и следователно не са способни да образуват фиби или кръстовидни структури. Последователности от този тип се намират в почти всички големи ДНК молекули и могат да варират от само няколко базови двойки до няколко хиляди базови двойки.

Наличието на палиндроми под формата на кръстовидни структури в еукариотните клетки не е доказано, въпреки че определен брой кръстовидни структури са открити in vivo в клетки на Е. coli. Наличието на самодопълващи се последователности в РНК или едноверижна ДНК е основната причина за сгъването на веригата на нуклеиновата киселина в разтворите в определена пространствена структура, характеризираща се с образуването на много "фиби".

Н-форма ДНКе спирала, образувана от три ДНК вериги - ДНК тройна спирала. Това е комплекс от двойна спирала на Watson-Crick с трета едноверижна ДНК верига, която се вписва в основната й бразда, образувайки така наречената двойка Hoogsteen.

Образуването на такъв триплекс възниква в резултат на сгъването на двойна спирала на ДНК по такъв начин, че половината от нейната секция остава под формата на двойна спирала, а другата половина се отделя. В този случай една от несвързаните спирали образува нова структура с първата половина на двойната спирала - тройна спирала, а втората се оказва неструктурирана, под формата на едноверижен участък. Особеност на този структурен преход е неговата рязка зависимост от pH на средата, чиито протони стабилизират новата структура. Поради тази особеност новата структура е наречена Н-форма на ДНК, образуването на която е открито в суперспирални плазмиди, съдържащи хомопурин-хомопиримидинови области, които са огледално повторение.

В по-нататъшни изследвания беше установено, че е възможно да се извърши структурен преход на някои хомопурин-хомопиримидинови двойноверижни полинуклеотиди с образуването на триверижна структура, съдържаща:

• една хомопуринова и две хомопиримидинови вериги ( Py-Pu-Py триплекс) [взаимодействие на Hoogsteen].

  Съставните блокове на триплекса Py-Pu-Py са канонични изоморфни CGC+ и TAT триади. Стабилизирането на триплекса изисква протониране на CGC+ триадата, така че тези триплекси зависят от pH на разтвора.

• една хомопиримидинова и две хомопуринови вериги ( Пи-Пу-Пу триплекс) [обратно взаимодействие на Hoogsteen].

  Съставните блокове на триплекса Py-Pu-Pu са канонични изоморфни CGG и TAA триади. Основно свойство на Py-Pu-Pu триплексите е зависимостта на тяхната стабилност от наличието на двойно заредени йони и различни йони са необходими за стабилизиране на триплекси с различни последователности. Тъй като образуването на Py-Pu-Pu триплекси не изисква протониране на техните съставни нуклеотиди, такива триплекси могат да съществуват при неутрално рН.

  Забележка: директните и обратните взаимодействия на Hoogsteen се обясняват със симетрията на 1-метилтимин: завъртане на 180° води до това, че O2 атомът заема мястото на O4 атома, докато системата от водородни връзки се запазва.

Известни са два вида тройни спирали:

1. паралелни тройни спирали, в които полярността на третата верига съвпада с полярността на хомопуриновата верига на дуплекса Watson-Crick
2. антипаралелни тройни спирали, в които полярностите на третата и хомопуриновата верига са противоположни.

Химически хомоложните вериги както в триплексите Py-Pu-Pu, така и в Py-Pu-Py са в антипаралелна ориентация. Това беше допълнително потвърдено от данните от NMR спектроскопия.

G-квадруплекс- 4-верижна ДНК. Тази структура се образува, ако има четири гуанина, които образуват така наречения G-квадруплекс - хоровод от четири гуанина.

Първите намеци за възможността за формиране на такива структури са получени много преди пробивната работа на Уотсън и Крик - през 1910 г. Тогава немският химик Ивар Банг открива, че един от компонентите на ДНК - гуанозиновата киселина - образува гелове при високи концентрации, докато други компоненти на ДНК нямат това свойство.

През 1962 г., използвайки метода на рентгенова дифракция, беше възможно да се установи клетъчната структура на този гел. Оказа се, че е съставен от четири гуанинови остатъка, свързващи се в кръг и образуващи характерен квадрат. В центъра връзката се поддържа от метален йон (Na, K, Mg). Същите структури могат да се образуват в ДНК, ако съдържа много гуанин. Тези плоски квадрати (G-квартети) са подредени, за да образуват доста стабилни, плътни структури (G-квадруплекси).

Четири отделни нишки на ДНК могат да бъдат вплетени в четириверижни комплекси, но това е по-скоро изключение. По-често единична верига от нуклеинова киселина просто се завързва на възел, образувайки характерни удебеления (например в краищата на хромозомите), или двойноверижна ДНК в някакъв богат на гуанин регион образува локален квадруплекс.

Съществуването на квадруплекси в краищата на хромозомите - в теломерите и в туморните промотори - е най-проучено. Въпреки това, все още има пълно разбиране за локализацията на такава ДНК в човешки хромозомине се знае.

Всички тези необичайни ДНК структури в линейна форма са нестабилни в сравнение с B-формата на ДНК. Въпреки това, ДНК често съществува в кръгова форма на топологично напрежение, когато има това, което се нарича супернавиване. При тези условия лесно се образуват неканонични ДНК структури: Z-форми, „кръстове” и „фиби”, H-форми, гуанинови квадруплекси и i-мотив.

• Свръхспирална форма – забелязва се при освобождаване от клетъчното ядро, без да се уврежда пентозофосфатният скелет. Има формата на супер-усукани затворени пръстени. В свръхнавито състояние двойната спирала на ДНК е „усукана върху себе си“ поне веднъж, тоест съдържа поне един суперзавой (приема формата на фигура осем).
• Релаксирано състояние на ДНК – наблюдава се при единично прекъсване (разкъсване на една верига). В този случай суперспиралите изчезват и ДНК приема формата на затворен пръстен.
• Линейната форма на ДНК се наблюдава, когато две вериги на двойна спирала са счупени.

И трите от тези форми на ДНК лесно се разделят чрез гел електрофореза.

Третична структура на ДНК

Третична структура на ДНКсе образува в резултат на допълнително усукване в пространството на двойноспирална молекула - нейното супернавиване. Свръхнавиването на ДНК молекулата в еукариотните клетки, за разлика от прокариотите, се осъществява под формата на комплекси с протеини.

Почти цялата ДНК на еукариотите се намира в хромозомите на ядрата; само малко количество се съдържа в митохондриите, а в растенията - в пластидите. Основното вещество на хромозомите на еукариотните клетки (включително човешките хромозоми) е хроматинът, състоящ се от двойноверижна ДНК, хистонови и нехистонови протеини.

Хистонови хроматинови протеини

Хистоните са прости протеини, които съставляват до 50% от хроматина. Във всички изследвани животински и растителни клетки са открити пет основни класа хистони: H1, H2A, H2B, H3, H4, различаващи се по размер, аминокиселинен състав и заряд (винаги положителен).

Хистон H1 на бозайник се състои от единична полипептидна верига, съдържаща приблизително 215 аминокиселини; размерите на други хистони варират от 100 до 135 аминокиселини. Всички те са спирализирани и усукани в глобула с диаметър около 2,5 nm и съдържат необичайно голямо количество положително заредени аминокиселини лизин и аргинин. Хистоните могат да бъдат ацетилирани, метилирани, фосфорилирани, поли(ADP)-рибозилирани, а хистоните H2A и H2B са ковалентно свързани с убиквитин. Ролята на такива модификации във формирането на структурата и изпълнението на функциите от хистоните все още не е напълно изяснена. Предполага се, че това е способността им да взаимодействат с ДНК и да осигурят един от механизмите за регулиране на генното действие.

Хистоните взаимодействат с ДНК предимно чрез йонни връзки (солни мостове), образувани между отрицателно заредените фосфатни групи на ДНК и положително заредените лизинови и аргининови остатъци на хистоните.

Нехистонови хроматинови протеини

Нехистоновите протеини, за разлика от хистоните, са много разнообразни. Изолирани са до 590 различни фракции от ДНК-свързващи нехистонови протеини. Те се наричат ​​още киселинни протеини, тъй като тяхната структура е доминирана от киселинни аминокиселини (те са полианиони). Разнообразието от нехистонови протеини е свързано със специфична регулация на активността на хроматина. Например, ензимите, необходими за репликация и експресия на ДНК, могат да се свържат временно с хроматина. Други протеини, например тези, които участват в различни регулаторни процеси, се свързват с ДНК само в специфични тъкани или на определени етапи на диференциация. Всеки протеин е комплементарен към специфична последователност от ДНК нуклеотиди (ДНК място). Тази група включва:

• семейство специфични за място протеини цинков пръст. Всеки „цинков пръст“ разпознава специфично място, състоящо се от 5 нуклеотидни двойки.
• семейство сайт-специфични протеини - хомодимери. Фрагментът на такъв протеин в контакт с ДНК има структура спирала-завъртане-спирала.
• гел протеините с висока подвижност (HMG протеини) са група от структурни и регулаторни протеини, които са постоянно свързани с хроматина. Те имат молекулно тегло под 30 kDa и се характеризират с високо съдържание на заредени аминокиселини. Поради ниското си молекулно тегло, HMG протеините имат висока подвижност по време на електрофореза с полиакриламиден гел.
• ензими за репликация, транскрипция и възстановяване.

С участието на структурни, регулаторни протеини и ензими, участващи в синтеза на ДНК и РНК, нуклеозомната нишка се превръща в силно кондензиран комплекс от протеини и ДНК. Получената структура е 10 000 пъти по-къса от оригиналната ДНК молекула.

Хроматин

Хроматинът е комплекс от протеини с ядрена ДНК и неорганични вещества. По-голямата част от хроматина е неактивен. Съдържа плътно опакована, кондензирана ДНК. Това е хетерохроматин. Има конститутивен, генетично неактивен хроматин (сателитна ДНК), състоящ се от неекспресирани участъци, и факултативен - неактивен в редица поколения, но при определени обстоятелства способен на експресия.

Активният хроматин (еухроматин) е некондензиран, т.е. опаковани по-малко плътно. В различните клетки съдържанието му варира от 2 до 11%. В мозъчните клетки той е най-разпространен - ​​10-11%, в чернодробните клетки - 3-4 и бъбречните клетки - 2-3%. Отбелязва се активна транскрипция на еухроматин. Нещо повече, неговата структурна организация позволява същата генетична ДНК информация, присъща на даден тип организъм, да се използва по различен начин в специализирани клетки.

В електронен микроскоп изображението на хроматина прилича на перли: сферични удебеления с размер около 10 nm, разделени от нишковидни мостове. Тези сферични удебеления се наричат ​​нуклеозоми. Нуклеозомата е структурна единица на хроматина. Всяка нуклеозома съдържа 146-bp суперспирален ДНК сегмент, навит, за да образува 1,75 леви завъртания на нуклеозомно ядро. Нуклеозомното ядро ​​е хистонов октамер, състоящ се от хистони H2A, H2B, H3 и H4, две молекули от всеки тип (фиг. 9), който изглежда като диск с диаметър 11 nm и дебелина 5,7 nm. Петият хистон, H1, не е част от нуклеозомното ядро ​​и не участва в процеса на навиване на ДНК върху хистоновия октамер. Той контактува с ДНК на местата, където двойната спирала влиза и излиза от нуклеозомното ядро. Това са междуядрени (линкерни) участъци на ДНК, чиято дължина варира в зависимост от типа клетка от 40 до 50 нуклеотидни двойки. В резултат на това дължината на ДНК фрагмента, включен в нуклеозомите, също варира (от 186 до 196 нуклеотидни двойки).

Нуклеозомите съдържат приблизително 90% ДНК, останалото са линкери. Смята се, че нуклеозомите са фрагменти от "мълчалив" хроматин и линкерът е активен. Но нуклеозомите могат да се разгънат и да станат линейни. Разгънатите нуклеозоми вече са активен хроматин. Това ясно демонстрира зависимостта на функцията от структурата. Може да се предположи, че колкото повече хроматин се съдържа в глобуларните нуклеозоми, толкова по-малко активен е той. Очевидно в различните клетки неравномерното съотношение на хроматина в покой е свързано с броя на такива нуклеозоми.

На електронно-микроскопски снимки, в зависимост от условията на изолиране и степента на разтягане, хроматинът може да изглежда не само като дълга нишка с удебеления - "мъниста" от нуклеозоми, но и като по-къса и по-плътна фибрила (влакно) с диаметър 30 nm, чието образуване се наблюдава по време на взаимодействие хистон H1, свързан с линкерната област на ДНК и хистон H3, което води до допълнително усукване на спиралата от шест нуклеозоми на завой, за да се образува соленоид с диаметър 30 ​​nm. В този случай хистоновият протеин може да попречи на транскрипцията на редица гени и по този начин да регулира тяхната активност.

В резултат на взаимодействията на ДНК с хистоните, описани по-горе, сегмент от двойна спирала на ДНК от 186 базови двойки със среден диаметър 2 nm и дължина 57 nm се превръща в спирала с диаметър 10 nm и дължина 5 nm. Когато тази спирала впоследствие се компресира до влакно с диаметър 30 ​​nm, степента на кондензация се увеличава още шест пъти.

В крайна сметка опаковането на ДНК дуплекс с пет хистона води до 50-кратна кондензация на ДНК. Въпреки това, дори и така висока степенкондензацията не може да обясни почти 50 000 - 100 000-кратното уплътняване на ДНК в метафазната хромозома. За съжаление, подробностите за по-нататъшното пакетиране на хроматина до метафазната хромозома все още не са известни, така че можем само да разгледаме общи характеристикитози процес.

Нива на уплътняване на ДНК в хромозомите

Всяка ДНК молекула е опакована в отделна хромозома. Човешките диплоидни клетки съдържат 46 хромозоми, които се намират в клетъчното ядро. Общата дължина на ДНК на всички хромозоми в една клетка е 1,74 m, но диаметърът на ядрото, в което са опаковани хромозомите, е милиони пъти по-малък. Такова компактно опаковане на ДНК в хромозомите и хромозомите в клетъчното ядро ​​се осигурява от различни хистонови и нехистонови протеини, които взаимодействат в определена последователност с ДНК (виж по-горе). Уплътняването на ДНК в хромозомите прави възможно намаляването на нейните линейни размери приблизително 10 000 пъти - грубо от 5 cm до 5 микрона. Има няколко нива на уплътняване (фиг. 10).

• Двойната спирала на ДНК е отрицателно заредена молекула с диаметър 2 nm и дължина няколко cm.
• нуклеозомно ниво- хроматинът изглежда в електронен микроскоп като верига от „мъниста“ - нуклеозоми - „на нишка“. Нуклеозомата е универсална структурна единица, която се намира както в еухроматина, така и в хетерохроматина, в интерфазното ядро ​​и метафазните хромозоми.

  Нуклеозомното ниво на уплътняване се осигурява от специални протеини - хистони. Осем положително заредени хистонови домена образуват сърцевината на нуклеозомата, около която е навита отрицателно заредена ДНК молекула. Това дава скъсяване от 7 пъти, докато диаметърът се увеличава от 2 до 11 nm.

• ниво на соленоид

  Соленоидното ниво на хромозомна организация се характеризира с усукване на нуклеозомната нишка и образуването на по-дебели фибрили с диаметър 20-35 nm - соленоиди или супербиди. Стъпката на соленоида е 11 nm; има около 6-10 нуклеозоми на оборот. Соленоидното опаковане се счита за по-вероятно от супербидното опаковане, според което хроматинова фибрила с диаметър 20-35 nm е верига от гранули или супербиди, всяка от които се състои от осем нуклеозоми. На ниво соленоид линейният размер на ДНК се намалява 6-10 пъти, диаметърът се увеличава до 30 nm.

• ниво на цикъл

  Нивото на бримката се осигурява от нехистонов сайт-специфични ДНК-свързващи протеини, които разпознават и се свързват със специфични ДНК последователности, образувайки бримки от приблизително 30-300 kb. Примката осигурява генна експресия, т.е. примката е не само структурна, но и функционална формация. Скъсяването на това ниво се случва 20-30 пъти. Диаметърът нараства до 300 nm. В цитологичните препарати могат да се видят структури с форма на бримка като „четки за лампи“ в ооцити на земноводни. Тези бримки изглеждат свръхнавити и представляват ДНК домейни, вероятно съответстващи на единици на транскрипция и хроматинова репликация. Специфични протеини фиксират основите на бримките и, вероятно, някои от техните вътрешни секции. Подобната на бримка организация на домейна насърчава сгъването на хроматина в метафазните хромозоми в спирални структури от по-висок порядък.

• ниво на домейн

  Нивото на домейна на хромозомната организация не е достатъчно проучено. На това ниво се отбелязва образуването на бримкови домени - структури от нишки (фибрили) с дебелина 25-30 nm, които съдържат 60% протеин, 35% ДНК и 5% РНК, са практически невидими във всички фази на клетъчния цикъл с с изключение на митозата и са донякъде произволно разпределени в клетъчното ядро. В цитологичните препарати могат да се видят структури с форма на бримка като „четки за лампи“ в ооцити на земноводни.

  Примковите домейни са прикрепени в основата си към интрануклеарната протеинова матрица в така наречените вградени места за прикрепване, често наричани MAR/SAR последователности (MAR, от англ. matrix associated region; SAR, от англ. scaffold attachment regions) - ДНК фрагменти с дължина няколкостотин базови двойки, които се характеризират с високо съдържание (>65%) на A/T нуклеотидни двойки. Всеки домейн изглежда има един източник на репликация и функционира като автономна суперспирална единица. Всеки домейн с цикъл съдържа много транскрипционни единици, чието функциониране вероятно е координирано - целият домейн е или в активно, или в неактивно състояние.

  На ниво домейн, в резултат на последователно опаковане на хроматин, се получава намаляване на линейните размери на ДНК приблизително 200 пъти (700 nm).

• хромозомно ниво

  На хромозомно ниво се получава кондензация на профазната хромозома в метафазна хромозома с уплътняване на бримкови домени около аксиалната рамка на нехистонови протеини. Това супернавиване е придружено от фосфорилиране на всички H1 молекули в клетката. В резултат на това метафазната хромозома може да бъде изобразена като плътно опаковани соленоидни бримки, навити в стегната спирала. Типичната човешка хромозома може да съдържа до 2600 бримки. Дебелината на такава структура достига 1400 nm (две хроматиди), а молекулата на ДНК се скъсява 104 пъти, т.е. от 5 cm разтеглена ДНК до 5 µm.

Функции на хромозомите

Във взаимодействие с екстрахромозомни механизми, хромозомите осигуряват

1. съхранение на наследствена информация
2. използване на тази информация за създаване и поддържане на клетъчна организация
3. регулиране на четенето на наследствена информация
4. самодублиране на генетичен материал
5. трансфер на генетичен материал от майчината клетка към дъщерните клетки.

Има доказателства, че когато се активира област от хроматин, т.е. по време на транскрипцията, първо хистон H1 и след това хистоновият октет се отстраняват обратимо от него. Това причинява декондензация на хроматина, последователен преход на 30-nm хроматинова фибрила в 10-nm фибрила и по-нататъшното му разгъване в участъци от свободна ДНК, т.е. загуба на нуклеозомна структура.

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

Дезоксирибонуклеинова киселина. Главна информация

ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е един вид план за живот, сложен код, който съдържа данни за наследствена информация. Тази сложна макромолекула е способна да съхранява и предава наследствена генетична информация от поколение на поколение. ДНК определя такива свойства на всеки жив организъм като наследственост и променливост. Закодираната в него информация задава цялата програма за развитие на всеки жив организъм. Генетично обусловените фактори предопределят целия ход на живота както на човек, така и на всеки друг организъм. Изкуствено или естествено въздействие външна средаса способни само в малка степен да повлияят на цялостното изразяване на отделни генетични черти или да повлияят на развитието на програмирани процеси.

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

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

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

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

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

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

Ориз. 2. Азотни основи

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

Ориз. 3. ДНК репликация

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

образование нова ДНК (репликация)

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

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

По-подробна информация:

СТРУКТУРА НА НУКЛЕИНОВИТЕ КИСЕЛИНИ

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

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

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

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

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

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

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

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

Правило за допълване:

A-T G-C

Например, ако ни бъде дадена ДНК верига с последователността

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

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

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

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

ДНК РЕПЛИКАЦИЯ

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

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

Ориз. 8. Репликация (удвояване) на ДНК молекула

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

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

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

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

За повече информация относно репликацията на ДНК вижте

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

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

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

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

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

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

СТРУКТУРА НА РНК

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

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

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

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

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

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

ПРЕПИС

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

Ориз. 11. Схематично представяне на транскрипцията

Например, ако ни е дадена последователността на кодиращата верига

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

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

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,

а синтезираната от него РНК е последователността

ИЗЛЪЧВАНЕ

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

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

ГЕНЕТИЧЕН КОД

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

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

Таблица 1. Стандартен генетичен код

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

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

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

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

Свойства на генетичния код

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

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

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

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

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

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

Пример. Дадена ни е последователността на кодиращата верига:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Матричната верига ще има следната последователност:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Сега ние „синтезираме“ информационна РНК от тази верига:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

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

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Сега нека намерим началния кодон AUG:

5’- AU АВГУСТ CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Нека разделим последователността на тройки:

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

Ориз. 13. Централна догма молекулярна биология

ГЕНОМ: ГЕНИ и ХРОМОЗОМИ

(общи понятия)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Колко гена има на една хромозома?

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

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

Прокариоти (бактерии).

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

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

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

Еукариоти.

Таблица 2. ДНК, гени и хромозоми на някои организми

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

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

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

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

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

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

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

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

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

СТРУКТУРА НА ГЕНИТЕ

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

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

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

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

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

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

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

Генна структура при прокариотите

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

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

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

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

Прокариотите също се характеризират с феномена Интерфейси транскрипция-превод.

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

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

Генна структура при еукариоти

Гените и хромозомите на еукариотите са много сложно организирани

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗА

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

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

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

1. Мутациите възникват внезапно, спазматично.

2. Мутациите се предават от поколение на поколение.

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

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

5. Подобни мутации могат да се появят многократно.

6. Мутациите не са насочени.

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

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

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

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

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

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

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

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

Генни мутации

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

Ориз. 23. Генни (точкови) мутации

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

Ориз. 24. Модели на мутация

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

Ориз. 29. Хромозома преди и след дублиране

Геномни мутации

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

Видео за ДНК

ДНК РЕПЛИКАЦИЯ, РНК КОДИРАНЕ, СИНТЕЗ НА БЕЛТЪЦИ

Английските учени Дж. Уотсън и Ф. Крик (1953) предлагат пространствен модел на молекулата на ДНК. Според този модел макромолекулата е спирала, състояща се от две полинуклеотидни вериги, усукани около обща ос. Пуриновите и пиримидиновите бази са насочени към вътрешността на спиралата. Водородните връзки възникват между пуриновата основа на едната верига и пиримидиновата основа на другата. Тези бази образуват допълващи се двойки:

A=T (свързани с две Н-връзки), GC (три Н-връзки).

По този начин вторичната структура на ДНК е двойна спирала, образувана поради Н-връзки между комплементарни двойки хетероциклични бази и ван дер Ваалсови сили между азотни бази.

Водородните връзки се образуват между – NH групата на една база и

, както и между амидни и имидни азотни атоми

Н-връзките стабилизират двойната спирала.

Верижната комплементарност е химическата основа за най-важните функции на ДНК - съхранение и предаване на наследствени характеристики. ДНК съдържа само четири бази (A, G, C, T). Кодиращата единица за всяка протеинова аминокиселина е триплет (код на три бази). Част от ДНК молекула, съдържаща в своята нуклеотидна последователност информация за последователността на аминокиселинните единици в протеина, който се синтезира, се нарича ген. Макромолекулата на ДНК съдържа много гени.

въпреки това нуклеотидна последователностДНК може да претърпи промени под въздействието на различни фактори, които се наричат мутации. Най-често срещаният тип мутация е замяната на базова двойка с друга. Причината е промяна в тавтомерното равновесие. Например, замяна на обичайното двойки T-Aза двойка T-G. С натрупването на мутации се увеличава броят на грешките в протеиновата биосинтеза. Втората причина за появата на мутация са химичните фактори, както и различни видоверадиация. Мутациите под въздействието на химични съединения са от голямо значение за управлението на наследствеността с цел нейното подобряване - селекция на култури, създаване на щамове микроорганизми, които произвеждат антибиотици, витамини, фуражни дрожди.

Макромолекулата на РНК, като правило, е единична полипептидна верига, която приема различни пространствени форми, включително спирални.

ДНК молекулите са разположени в ядрата на клетките, а протеиновият синтез се извършва в цитоплазмата на рибозомите с участието на РНК, която копира генетична информация, пренася я до мястото на протеинов синтез и участва в процеса на протеинов синтез.

Нуклеотидите са от голямо значение не само като строителни материали за НК. Те участват в биохимични процеси, например в клетъчния енергиен метаболизъм (АТФ), прехвърлянето на фосфатни групи, в окислително-възстановителните реакции и др.

Напредъкът в изучаването на структурата на НК и техните функции доведе до развитието на нов клон на биологичната наука - генното инженерство, което прави възможно контролирането на вътреклетъчните процеси. Следователно има изключителни перспективи за решаване на проблеми в медицината (превенция и лечение на заболявания), индустрията (например биотехнология, основана на използването на нови микроорганизми, които благодарение на наличието на нови гени синтезират нови съединения) и др. Тези научни постиженияпоказват, че жизнените процеси на организмите се основават на реални химични процеси, протичащи в клетките на молекулярно ниво.

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

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

История на откриването на ДНК

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

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

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

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

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

Субстанция на наследствеността

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

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

Структура

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

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

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

Химическа структура на ДНК

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

Правилата на Чаргаф

Структура и биологична роляДНК е изследвана от Е. Чаргаф през 1949 г. По време на своето изследване той идентифицира модели, които се наблюдават в количественото разпределение на азотните основи:

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

Структурен модел на ДНК

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

Нива на структурна организация

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

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

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

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

Функции на ДНК

Основните функции на ДНК са:

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

Заключение

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

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

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

Всички знаем, че външният вид на човек, някои навици и дори болести се предават по наследство. Цялата тази информация за едно живо същество е кодирана в гените. И така, как изглеждат тези прословути гени, как функционират и къде се намират?

И така, носителят на всички гени на всеки човек или животно е ДНК. Това съединение е открито от Йохан Фридрих Мишер през 1869 г. Химически ДНК е дезоксирибонуклеинова киселина. Какво означава това? Как тази киселина носи генетичния код на целия живот на нашата планета?

Нека започнем, като разгледаме къде се намира ДНК. Човешката клетка съдържа много органели, които изпълняват различни функции. ДНК се намира в ядрото. Ядрото е малка органела, която е заобиколена от специална мембрана и в която се съхранява целият генетичен материал - ДНК.

Каква е структурата на ДНК молекулата?

Първо, нека да видим какво е ДНК. ДНК е много дълга молекула, състояща се от структурни елементи - нуклеотиди. Има 4 вида нуклеотиди - аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С). Веригата от нуклеотиди схематично изглежда така: GGAATTCTAAG... Тази последователност от нуклеотиди е веригата на ДНК.

Структурата на ДНК е дешифрирана за първи път през 1953 г. от Джеймс Уотсън и Франсис Крик.

В една ДНК молекула има две вериги от нуклеотиди, които са спирално усукани една около друга. Как тези нуклеотидни вериги остават заедно и се усукват в спирала? Това явление се дължи на свойството на взаимно допълване. Комплементарността означава, че само определени нуклеотиди (комплементарни) могат да бъдат намерени един срещу друг в две вериги. Така срещу аденина винаги има тимин, а срещу гуанина винаги има само цитозин. Така гуанинът е комплементарен на цитозина, а аденинът е комплементарен на тимина.Такива двойки нуклеотиди, разположени един срещу друг в различни вериги, също се наричат ​​комплементарни.

Схематично може да се покаже по следния начин:

G - C
Т - А
Т - А
C - G

Тези допълващи се двойки A - T и G - C образуват химическа връзкамежду нуклеотидите на двойката, а връзката между G и C е по-силна, отколкото между A и T. Връзката се образува строго между комплементарни бази, т.е. образуването на връзка между некомплементарни G и A е невъзможно.

„Опаковка“ на ДНК, как една ДНК верига се превръща в хромозома?

Защо тези ДНК нуклеотидни вериги също се усукват една около друга? Защо е необходимо това? Факт е, че броят на нуклеотидите е огромен и е необходимо много място, за да се поберат толкова дълги вериги. Поради тази причина две вериги на ДНК се усукват една около друга по спираловиден начин. Това явление се нарича спирализация. В резултат на спирализация веригите на ДНК се скъсяват 5-6 пъти.

Някои ДНК молекули се използват активно от тялото, докато други се използват рядко. В допълнение към спирализацията, такива рядко използвани ДНК молекули претърпяват още по-компактна „опаковка“. Тази компактна опаковка се нарича супернавиване и скъсява ДНК веригата 25-30 пъти!

Как се пакетират спиралите на ДНК?

Супернавиването използва хистонови протеини, които имат вид и структура на пръчка или макара от конец. Спирализирани нишки на ДНК се навиват върху тези „намотки“ - хистонови протеини. Така дългата нишка става много компактно опакована и заема много малко място.

Ако е необходимо да се използва една или друга ДНК молекула, възниква процесът на „размотаване“, тоест ДНК веригата се „развива“ от „макарата“ - хистоновия протеин (ако е бил навит върху него) и се развива от спиралата на две успоредни вериги. И когато молекулата на ДНК е в такова неусукано състояние, тогава от нея може да се прочете необходимата генетична информация. Освен това генетичната информация се чете само от неусукани нишки на ДНК!

Набор от свръхнавити хромозоми се нарича хетерохроматин, а наличните хромозоми за четене на информация са еухроматин.

Какво представляват гените, каква е връзката им с ДНК?

Сега нека да разгледаме какво представляват гените. Известно е, че има гени, които определят кръвната група, цвета на очите, косата, кожата и много други свойства на нашето тяло. Генът е строго определен участък от ДНК, състоящ се от определен брой нуклеотиди, подредени в строго определена комбинация. Разположението в строго определен участък на ДНК означава, че на определен ген е определено неговото място и е невъзможно да се промени това място. Уместно е да се направи следното сравнение: човек живее на определена улица, в определена къща и апартамент и човек не може доброволно да се премести в друга къща, апартамент или на друга улица. Определен брой нуклеотиди в един ген означава, че всеки ген има определен брой нуклеотиди и те не могат да станат повече или по-малко. Например, генът, кодиращ производството на инсулин, се състои от 60 нуклеотидни двойки; генът, кодиращ производството на хормона окситоцин – от 370 нуклеотидни двойки.

Строгата нуклеотидна последователност е уникална за всеки ген и строго определена. Например последователността AATTAATA е фрагмент от ген, който кодира производството на инсулин. За получаването на инсулин се използва точно тази последователност, за получаването например на адреналин се използва друга комбинация от нуклеотиди. Важно е да се разбере, че само определена комбинация от нуклеотиди кодира определен „продукт“ (адреналин, инсулин и др.). Такава уникална комбинация от определен брой нуклеотиди, стоящи на „своето място“ - това е ген.

В допълнение към гените, веригата на ДНК съдържа така наречените „некодиращи последователности“. Такива некодиращи нуклеотидни последователности регулират функционирането на гените, помагат при спирализирането на хромозомите и маркират началната и крайната точка на гена. Към днешна дата обаче ролята на повечето некодиращи последователности остава неясна.

Какво е хромозома? Полови хромозоми

Съвкупността от гени на индивида се нарича геном. Естествено, целият геном не може да се съдържа в една ДНК. Геномът е разделен на 46 двойки ДНК молекули. Една двойка ДНК молекули се нарича хромозома. И така, хората имат 46 от тези хромозоми. Всяка хромозома носи строго определен набор от гени, например хромозома 18 съдържа гени, кодиращи цвета на очите и т.н. Хромозомите се различават една от друга по дължина и форма. Най-често срещаните форми са X или Y, но има и други. Хората имат две хромозоми с еднаква форма, които се наричат ​​двойки. Поради тези разлики всички сдвоени хромозоми са номерирани - има 23 двойки. Това означава, че има хромозомна двойка № 1, двойка № 2, № 3 и т.н. Всеки ген, отговорен за определена черта, се намира на една и съща хромозома. Съвременните насоки за специалисти могат да посочат местоположението на гена, например, както следва: хромозома 22, дълга ръка.

Какви са разликите между хромозомите?

Как иначе хромозомите се различават една от друга? Какво означава терминът дълго рамо? Да вземем хромозоми под формата X. Пресичането на ДНК вериги може да се случи строго в средата (X) или може да се случи не централно. Когато такова пресичане на ДНК вериги не се случва централно, тогава спрямо точката на пресичане някои краища са по-дълги, други съответно по-къси. Такива дълги краища обикновено се наричат ​​дълго рамо на хромозомата, а късите краища се наричат ​​късо рамо. В хромозомите с форма Y повечето рамена са заети от дълги рамена, а късите са много малки (те дори не са посочени в схематичното изображение).

Размерът на хромозомите варира: най-големите са хромозомите от двойки № 1 и № 3, най-малките са двойките № 17, № 19.

Освен по формата и размера си, хромозомите се различават и по функциите, които изпълняват. От 23 двойки, 22 двойки са соматични и 1 двойка е полова. Какво означава? Соматичните хромозоми определят всички външни характеристики на индивида, характеристиките на неговите поведенчески реакции, наследствения психотип, тоест всички черти и характеристики на всеки отделен човек. Двойка полови хромозоми определя пола на човек: мъж или жена. Има два вида човешки полови хромозоми: X (X) и Y (Y). Ако се комбинират като XX (x - x) - това е жена, а ако XY (x - y) - имаме мъж.

Наследствени заболявания и хромозомни увреждания

Въпреки това се случват „счупвания“ на генома и след това се откриват генетични заболявания при хората. Например, когато има три хромозоми в 21-вата двойка хромозоми вместо две, човек се ражда със синдром на Даун.

Има много по-малки „счупвания“ на генетичен материал, които не водят до заболяване, а напротив, придават добри свойства. Всички „счупвания“ на генетичен материал се наричат ​​мутации. Мутациите, водещи до заболявания или влошаване на свойствата на тялото, се считат за отрицателни, а мутациите, водещи до образуването на нови полезни свойства, се считат за положителни.

Въпреки това, при повечето заболявания, от които хората днес страдат, не се наследява заболяването, а само предразположението. Например, бащата на дете усвоява захарта бавно. Това не означава, че детето ще се роди с диабет, но детето ще има предразположение. Това означава, че ако детето злоупотребява със сладкиши и продукти от брашно, то ще развие диабет.

Днес т.нар предикативностлекарство. Като част от тази медицинска практика се идентифицират предразположенията на човек (въз основа на идентифицирането на съответните гени), след което му се дават препоръки - каква диета да следва, как правилно да редува работа и почивка, за да не се разболее.

Как да разчетем информацията, кодирана в ДНК?

Как можете да разчетете информацията, съдържаща се в ДНК? Как собственото му тяло го използва? Самата ДНК е вид матрица, но не проста, а кодирана. За да се прочете информация от матрицата на ДНК, тя първо се прехвърля на специален носител - РНК. РНК е химически рибонуклеинова киселина. Различава се от ДНК по това, че може да премине през ядрената мембрана в клетката, докато ДНК няма тази способност (може да се намери само в ядрото). Кодираната информация се използва в самата клетка. И така, РНК е носител на кодирана информация от ядрото до клетката.

Как протича синтезата на РНК, как се синтезира протеин с помощта на РНК?

Веригите на ДНК, от които трябва да се „чете“ информация, се развиват, специален ензим „строител“ се приближава до тях и синтезира комплементарна верига на РНК, успоредна на веригата на ДНК. Молекулата на РНК също се състои от 4 вида нуклеотиди - аденин (А), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (C). В този случай следните двойки са допълващи се: аденин - урацил, гуанин - цитозин. Както можете да видите, за разлика от ДНК, РНК използва урацил вместо тимин. Тоест, ензимът „строител“ работи по следния начин: ако види А във веригата на ДНК, тогава той прикрепя Y към веригата на РНК, ако G, тогава той прикрепя C и т.н. Така от всеки активен ген по време на транскрипцията се образува матрица - копие на РНК, което може да премине през ядрената мембрана.

Как протича синтезата на протеин, кодиран от определен ген?

След като напусне ядрото, РНК навлиза в цитоплазмата. Още в цитоплазмата РНК може да бъде вградена като матрица в специални ензимни системи (рибозоми), които могат да синтезират, ръководени от РНК информация, съответната последователност от протеинови аминокиселини. Както знаете, протеиновата молекула се състои от аминокиселини. Как рибозомата знае коя аминокиселина да добави към растящата протеинова верига? Това се прави въз основа на триплетния код. Триплетният код означава, че последователността от три нуклеотида на РНК веригата ( тройка,например GGU) код за една аминокиселина (in в такъв случайглицин). Всяка аминокиселина е кодирана от специфичен триплет. И така, рибозомата "чете" триплета, определя коя аминокиселина трябва да бъде добавена следващата, докато чете информацията в РНК. Когато се образува верига от аминокиселини, тя приема определена пространствена форма и се превръща в протеин, способен да изпълнява възложените му ензимни, строителни, хормонални и други функции.

Протеинът за всеки жив организъм е продукт на ген. Именно протеините определят всички разнообразни свойства, качества и външни прояви на гените.