Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение. ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.
Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.
С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С ) и фосфатной (Ф ) группы (фосфодиэфирные связи).
Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы
В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т ), гуанин — только с цитозином (Г-Ц ). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой "лестницы" ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).
Рис. 2. Азотистые основания
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Рис. 3. Репликация ДНК
Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.
Образование новой ДНК (репликация)
- Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.
- Двойная спираль «расстегивается» на две ветви, когда ферменты разрушают связь между базовыми парами химических соединений.
- Каждая ветвь является элементом новой ДНК. Новые базовые пары соединяются в той же последовательности, что и в родительской ветви.
По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.
Более подробная информация:
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты - это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.
Нуклеотиды состоят из азотистого основания , соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) - дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H 2 PO 3 -).
Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания - урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания - аденин и гуанин.
Рис. 5. Типы азотистых оснований: пиримидиновые и пуриновые
Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:
Рис. 6. Выделение выделить 3’ и 5’-концов цепи ДНК
Две цепи ДНК образуют двойную спираль . Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей . Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин - с гуанином. Это называется правилом комплементарности .
Правило комплементарности:
| A-T G-C |
Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность
3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,
то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении - от 5’-конца к 3’-концу:
5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’.
Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей
РЕПЛИКАЦИЯ
Репликация ДНК - это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. Репликация происходит по полуконсервативному механизму . Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.
Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК
ДНК-синтез - это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:
- ДНК-топоизомераза, располагаясь перед вилкой репликации, разрезает ДНК для того, чтобы облегчить ее расплетание и раскручивание.
- ДНК-хеликаза вслед за топоизомеразой влияет на процесс «расплетения» спирали ДНК.
- Связывающие ДНК-белки осуществляют связывание нитей ДНК, а также проводят их стабилизацию, не допуская их прилипания друг к другу.
- ДНК-полимераза синтезирует ведущую цепь дочерней ДНК.
Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) Запаздывающая нить, (2) Лидирующая нить, (3) ДНК-полимераза (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза (Polδ), (9) Хеликаза, (10) Белки, связывающие одноцепочечную ДНК, (11) Топоизомераза
Строение РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т ) в РНК представлен урацил (U ) , который также комплементарен аденину.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией , то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами.
Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК - эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ - 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.
Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции
Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи
3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,
то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность
5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,
а синтезируемая с нее РНК - последовательность
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка
на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:
Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический код - способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - кодоном или триплетом.
Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5" к 3" концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
|
1-е
ние |
2-е основание |
3-е
ние |
|||||||
|
U |
C |
A |
G |
||||||
|
U |
U U U |
(Phe/F) |
U C U |
(Ser/S) |
U A U |
(Tyr/Y) |
U G U |
(Cys/C) |
U |
|
U U C |
U C C |
U A C |
U G C |
C |
|||||
|
U U A |
(Leu/L) |
U C A |
U A A |
Стоп-кодон** |
U G A |
Стоп-кодон** |
A |
||
|
U U G |
U C G |
U A G |
Стоп-кодон** |
U G G |
(Trp/W) |
G |
|||
|
C |
C U U |
C C U |
(Pro/P) |
C A U |
(His/H) |
C G U |
(Arg/R) |
U |
|
|
C U C |
C C C |
C A C |
C G C |
C |
|||||
|
C U A |
C C A |
C A A |
(Gln/Q) |
C GA |
A |
||||
|
C U G |
C C G |
C A G |
C G G |
G |
|||||
|
A |
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 |
C |
|||||
|
A U A |
A C A |
A A A |
(Lys/K) |
A G A |
A |
||||
|
A U G |
(Met/M) |
A C G |
A A G |
A G G |
G |
||||
|
G |
G U U |
(Val/V) |
G C U |
(Ala/A) |
G A U |
(Asp/D) |
G G U |
(Gly/G) |
U |
|
G U C |
G C C |
G A C |
G G C |
C |
|||||
|
G U A |
G C A |
G A A |
(Glu/E) |
G G A |
A |
||||
|
G U G |
G C G |
G A G |
G G G |
G |
|||||
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:
- *Триплет AUG , также кодирующий метионин, называется старт-кодоном . С этого кодона начинается синтез молекулы белка. Таким образом, во время синтеза белка, первой аминокислотой в последовательности всегда будет метионин.
- **Триплеты UAA , UAG и UGA называются стоп-кодонами и не кодируют ни одной аминокислоты. На этих последовательностях синтез белка прекращается.
Свойства генетического кода
1. Триплетность . Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - триплетом или кодоном.
2. Непрерывность . Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость . Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность . Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность . Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность . Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:
3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA - 5’.
Матричная цепь будет иметь последовательность:
5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT - 3’.
Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:
3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA - 5’.
Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:
5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.
Теперь найдем старт-кодон AUG:
5’- AUAUG CUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.
Разделим последовательность на триплеты:
звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК - на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.
Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии
ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ
(общие понятия)
Геном - совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.
Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими ("избыточными") последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.
Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК
За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации ), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент» . Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид» , поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.
На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид - аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами ).
Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.
Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.
Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена , кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов ). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме?
Рис. 15. Вид хромосом в прокаритической (слева) и эукариотической клеках. Гистоны (Histones) — обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация.
Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру - нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli , чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.
Прокариоты (Бактерии).
Бактерия E. coli
имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli
приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами
(рис. 16).
Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.
См. также: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972-984.
Эукариоты.
Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов
|
Общая ДНК, п.н. |
Число хромосом* |
Примерное число генов |
|
|
Escherichia coli (бактерия) |
4 639 675 |
4 435 |
|
|
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи) |
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 (плодовая мушка) |
120 367 260 |
20 000 |
|
|
Oryza sativa (рис) |
480 000 000 |
57 000 |
|
|
Mus musculus (мышь) |
2 634 266 500 |
27 000 |
|
|
Homo sapiens (человек) |
3 070 128 600 |
29 000 |
Примечание. Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам
* Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный
набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) - двойной набор хромосом (2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.
**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.
***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.
В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli (табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila , классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli. Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n ) зависит от вида организма (табл. 2).
Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17 ). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а , содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y) различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.
Рис. 17. Хромосомы эукариот. а — пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б — полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.
Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).
Большинство клеток человека , поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10 14 клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10 11 км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10 4 км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10 8 км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!
В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.
СТРОЕНИЕ ГЕНОВ
Рассмотрим строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.
Кодирующая последовательность - основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.
До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности . Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.
Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции - транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.
Терминатор - нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.
В начале гена находится регуляторная область , включающая в себя промотор и оператор .
Промотор - последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор - это область, с которой могут связываться специальные белки - репрессоры , которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена - иначе говоря, уменьшать его экспрессию .
Строение генов у прокариот
Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается - и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.
Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) - изображение увеличивается
В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков с интезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.
Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу - оперон . Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона - регуляторы . Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор . Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.
Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции .
Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот - изображение увеличивается
Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого, а также между амидным и иминным атомами азота. Например, между аденином и тимином образуются две водородные связи и эти гетероциклические основания составляют комплементарную пару. Это означает, что адениновому основанию одной цепи будет соответствовать тиминовое другой цепи. Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.
Площади, занимаемые парами комплементарных оснований, приблизительно одинаковы.
Комплементарность оснований лежит в основе закономерностей,сформулированных Э. Чаргаффом (правила Чаргаффа):
1. - количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований;
2. - количество аденина равно количеству тимина; количество гуанина равно количеству цитозина;
3. – сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина
(А/Т= Ц/Г = 1).
Двухспиральная ДНК с комплементарными полинуклеотидными цепями обеспечивает возможность самоудвоения (репликации) молекулы. Этот сложный процесс можно представить следующим образом: перед удвоение водородные связи разрываются и две цепи раскручиваются и расходятся. Каждая цепь затем служит матрицей для образования на ней комплементарной цепи. После репликации образуются две дочерние молекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль взята из родительской ДНК, а другая (комплементарная) синтезирована заново.
Двойная спираль ДНК имеет несколько форм в зависимости от степени гидратации молекулы. Формы различаются расположением плоскости пар оснований по отношению к оси спирали, друг другу, по варианту закручивания спирали (вправо, влево) и другим признакам.
Между цепями расположены две «борозды» - большая и малая. В эти бороздках белки могут специфически взаимодействовать с определенными атомами нуклеиновых кислот, узнавать конкретные нуклеотидные последовательности, не нарушая комплементарных взаимодействий двойной спирали. Установлено, что за счет таких взаимодействий регуляторные белки могут осуществлять контроль экспрессии генов.
Формы вторичной структуры молекулы ДНК
Вторичная структура РНК
Молекула РНК построена из одной полинуклеотидной цепи. Число нуклеотидов может колебаться от 75 до нескольких тысяч, а молекулярная масса изменятся в пределах от 25 тыс. до нескольких млн.
Полипептидная цепь РНК не имеет строго определенной структуры. Она может складываться сама на себя и образовывать отдельные двух цепочечные участки с водородными связями между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Водородные связи в РНК не подчиняются строгим правилам, как вДНК.
Детально изучена тРНК. Молекула тРНК имеет вторичную структуру, которая представляет собой четыре спирализованных участка, три, четыре одноцепочечных петли. Такая структура называется «клеверным листом».
Принципы решения типовых задач по молекулярной биологии
Задача 1
Одна из цепочек молекулы ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: АЦГ ТАГ ЦТА ГЦГ… Напишите порядок нуклеотидов в комплементарной цепочке ДНК.
Пояснение к решению задачи. Известно что две цепочки в молекуле ДНК соединяются водородными связями между комплементарными нуклеотидами (А-Т, Г-Ц). Порядок нуклеотидов в известной цепочке ДНК:
А Ц Г Т А Г Ц Т А Г Ц Г
Т Г Ц А Т Ц Г А Т Ц Г Ц – порядок нуклеотидов в комплементарной цепочке ДНК.
Ответ: порядок нуклеотидов в комплементарной цепочке ДНК: ТГЦАТЦГАТЦГЦ
Задача 2
Порядок нуклеотидов в одной из цепочек молекулы ДНК следующий: АГЦТАЦГТАЦГА… Определите порядок аминокислот в полипептиде, закодированном этой генетической информацией.
Пояснение к решению задачи . Известно, что матрицей для синтеза полипептида является молекула и-РНК, матрицей для синтеза которой в свою очередь является одна из цепочек молекулы ДНК. Первый этап биосинтеза белка: транскрипция – переписывание порядка нуклеотидов с цепочки ДНК на и-РНК. Синтез и-РНК идет по принципу комплементарности (А-У, Г-Ц). Вместо тимина в и-РНК азатистое основание урацил. Известная цепочка ДНК:
А Г Ц Т А Ц Г Т А Ц Г А…
У Ц Г А У Г Ц А У Г Ц У…-порядок нуклеотидов в и-РНК.
Одну аминокислоту кодируют три рядом расположенные нуклеотида цепочки и-РНК (кодоны) – разбиваем и-РНК на кодоны:
УЦГ, АУГ, ЦАУ, ГЦУ и по тадлице кодонов находим соответствующие им аминокислоты: УЦГ – соответствует серину, АУГ – метионину, ЦАУ – гисцидину, ГЦУ – аланину.
Ответ: порядок аминокислот в закодированном полипептиде: сер – мет – гис – ала…
Задача 3
Одна из цепочек молекулы ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ГГЦАТГГАТЦАТ…
а) Определите последовательность аминокислот в соответствуюшем полипептиде, если известно, что и РНК синтезируется на комплементарной цепи ДНК.
б) Как изменится первичная структура полипептида, если выпадет третий нуклеотид?
Пояснение к решению задачи .
а) Известно, что молекула и- РНК синтезируется по принципу комплементарности на одной из цепей молекулы ДНК. Нам известен порядок нуклеотидов в одной цепи ДНК и сказано, что и-РНК синтезируется на комплементарной цепи. Следовательно, надо построить комплементарную цепь ДНК, помня при этом, что аденин соответствует тимину, а гуанин цитозину. Двойная цепочка ДНК будет выглядеть следующим образом:
Г Г Ц А Т Г Г А Т Ц А Т…
Ц Ц Г Т А Ц Ц Т А Г Т А …
Теперь можно построить молекулу и – РНК. Следует помнить, что вместо тимина в молекулу РНК входит урацил. Следовательно:
ДНК: Ц Ц Г Т А Ц Ц Т А Г А Т…
И-РНК: Г Г Ц А У Г Г А У Ц А У….
Три рядом расположенных нуклеотида (триплет, кодон) и-РНК определяют присоединение одной аминокислоты. Соответствующие триплетам аминокислоты находим по таблице кодонов. Кодон ГГЦ соответствует гли, А УГ – мет, ГАУ – асп, ЦАУ – гис. Следовательно, последовательность аминокислот участка полипептидной цепи будет: гли – мет – асп – гис…
б) Если в цепочке молекулы ДНК выпадет третий нуклеотид, то она будет выглядеть следующим образом:
ГГАТГГАТЦАТ…
Комплементарная цепочка: ЦЦТАЦЦТАГТА...
Информационная и-РНК: ГГАУГГАУЦАУ...
Произойдут изменения всех кодонов. Первый кодон ГГА соответствует аминокислоте гли, второй УУГ – три, третий АУЦ – иле, четвертый не полный. Таким образом, участок полипептида будет выглядеть:
Гли – три – иле…, т. е. произойдет значительное изменение порядка и количества аминокислот в полипептиде.
Ответ: а) последовательность аминокислот в полипептиде: гли – мет – асп – гис…,
б) после выпадения третьего нуклеотида последовательность аминокислот в полипептиде: гли – три – иле…
Задача 4
Полипептид имеет следующий порядок аминокислот: фен – тре – ала – сер – арг…
а) Определите один из вариантов последовательности нуклеотидов гена, кодирующего данный полипептид.
б) Какие т-РНК (с какими антикодонами) участвуют в синтезе этого белка? Напишите один из возможных вариантов.
Пояснение к решению задачи .
а) Полипептид имеет следующую последовательность аминокислот: фен – тре – ала – сер – арг… По таблице кодонов находим один из триплетов, кодирующий соответствующие аминокислоты. Фен – УУУ, тре – АЦУ, ала – ГЦУ, сер – АГУ, арг – АГА. Следовательно, кодирующая данный полипептид и-РНК будет иметь следующую последовательность нуклеотидов:
УУУАЦУГЦУАГУАГА…
Порядок нуклеотидов в кодирующей цепочке ДНК: АААТГАЦГАТЦАТЦТ…
Комплементарная цепочка ДНК: ТТТАЦТГЦТАГТАГА…
б) По таблице кодонов находим один из вариантов последовательности нуклеотидов и-РНК (как в предыдущем варианте). Антикодоны т-РНК комплементарны кодонам и-РНК:
и-РНК УУУАЦУГЦУАГУАГА…
антикодоны т-РНК ААА, УГА, ЦГА, УЦА, УЦУ
Ответ: а) один из вариантов последовательности нуклеотидов в гене будет:
АААТГАЦГАТЦАТЦТ
ТТТАЦТГЦТАГТАГА,
б) в синтезе этого белка будут участвовать т-РНК с антикодонами (один из вариантов): ААА, УГА, ЦГА, УЦА, УЦУ.
Задачи для самоконтроля
1.Одна из цепочек фрагмента молекулы ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов: АГТГАТГТТГГТГТА… Какова будет структура второй цепочки молекулы ДНК?
2.Участок одной цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТГААЦАЦТАГТТАГААТАЦЦА… Какова последовательность аминокислот в полипептиде, соответствующем этой генетической информации?
3.Участок одной нити ДНК имеет такую структуру: ТАТТЦТТТТТГТ… Укажите структуру соответствующей части молекулы белка, синтезированного при участии комплементарной цепи. Как изменится первичная структура фрагмента белка, если выпадет второй от начала нуклеотид?
4.Часть молекулы белка имеет такую последовательность аминокислот: сер – ала – тир – лей – асп… Какие т-РНК (с какими антикодонами) участвуют в синтезе этого белка? Напишите один из возможных вариантов.
5.Напишите один из вариантов последовательности нуклеотидов в гене, если кодируемый белок имеет следующую первичную структуру:
Ала – тре – лиз – асн – сер – глн – глу – асп…
После открытия принципа молекулярной организации такого вещества, как ДНК в 1953 году, начала развиваться молекулярная биология. Далее в процессе исследований ученые выяснили как рекомбенируется ДНК, ее состав и как устроен наш человеческий геном.
Каждый день на молекулярном уровне происходят сложнейшие процессы. Как устроена молекула ДНК, из чего она состоит? И какую роль играют в клетке молекулы ДНК? Расскажем подробно обо всех процессах, происходящих внутри двойной цепи.
Что такое наследственная информация?
Итак, с чего все начиналось? Еще в 1868 нашли в ядрах бактерий. А в 1928 г. Н. Кольцов выдвинул теорию о том, что именно в ДНК зашифрована вся генетическая информация о живом организме. Затем Дж. Уотсон и Ф. Крик нашли модель всем теперь известной спирали ДНК в 1953 году, за что заслужено получили признание и награду — Нобелевскую премию.
Что такое вообще ДНК? Это вещество состоит из 2 объединенных нитей, точнее спиралей. Участок такой цепочки с определенной информацией называется геном.
В ДНК хранится вся информация о том, что за белки будут формироваться и в каком порядке. Макромолекула ДНК — это материальный носитель невероятно объемной информации, которая записана строгой последовательностью отдельных кирпичиков — нуклеотидов. Всего нуклеотидов 4, они дополняют друг друга химически и геометрически. Этот принцип дополнения, или комплементарности, в науке будет описан позже. Это правило играет ключевую роль в кодировке и декодировании генетической информации.
Так как нить ДНК невероятно длинная, повторений в этой последовательности не бывает. У каждого живого существа собственная уникальная цепочка ДНК.
Функции ДНК
К функциям относятся хранение наследственной информации и ее
передача потомству. Без этой функции геном вида не мог бы сохраняться и развиваться на протяжении тысячелетий.
Организмы, которые претерпели серьезные
мутации генов, чаще не выживают или теряют способность производить потомство. Так происходит природная защита от вырождения вида.
Еще одна существенно важная функция — реализация хранимой информации. Клетка не может создать ни одного жизненно важного белка без тех инструкций, которые хранятся в двойной цепочке.
Состав нуклеиновых кислот
Сейчас уже достоверно известно, из чего состоят сами нуклеотиды — кирпичики ДНК. В их состав входят 3 вещества:
- Ортофосфорная кислота.
- Азотистое основание. Пиримидиновые основания — которые имеют только одно кольцо. К ним относят тимин и цитозин. Пуриновые основания, в составе которых присутствуют 2 кольца. Это гуанин и аденин.
- Сахароза. В составе ДНК — дезоксирибоза, В РНК — рибоза.
Число нуклеотидов всегда равно числу азотистых оснований. В специальных лабораториях расщепляют нуклеотид и выделяют из него азотистое основание. Так изучают отдельные свойства этих нуклеотидов и возможные мутации в них.
Уровни организации наследственной информации
Разделяют 3 уровня организации: генный, хромосомный и геномный. Вся информация, нужная для синтеза нового белка, содержится на небольшом участке цепочки — гене. То есть ген считается низший и самый простой уровень кодировки информации.
Гены, в свою очередь, собраны в хромосомы. Благодаря такой организации носителя наследственного материала группы признаков по определенным законам чередуются и передаются от одного поколения к другому. Надо заметить, генов в организме невероятно много, но информация не теряется, даже когда много раз рекомбенируется.
Разделяют несколько видов генов:
- по функциональному назначению выделяют 2 типа: структурные и регуляторные последовательности;
- по влиянию на процессы, протекающие в клетке, различают: супервитальные, летальные, условно летальные гены, а также гены мутаторы и антимутаторы.
Располагаются гены вдоль хромосомы в линейном порядке. В хромосомах информация сфокусирована не вразброс, существует определенный порядок. Существует даже карта, в которой отображены позиции, или локусы генов. Например, известно, что в хромосоме № 18 зашифрованы данные о цвете глаз ребенка .
А что же такое геном? Так называют всю совокупность нуклеотидных последовательностей в клетке организма. Геном характеризует целый вид, а не отдельную особь.
Каков генетический код человека?
Дело в том, что весь огромнейший потенциал человеческого развития заложен уже в период зачатия. Вся наследственная информация, которая необходима для развития зиготы и роста ребенка уже после рождения, зашифрована в генах. Участки ДНК и есть самые основные носители наследственной информации.
У человека 46 хромосом, или 22 соматические пары плюс по одной определяющей пол хромосоме от каждого родителя. Этот диплоидный набор хромосом кодирует весь физический облик человека, его умственные и физические способности и предрасположенность к заболеваниям. Соматические хромосомы внешне неразличимы, но несут они разную информацию, так как одна из них от отца, другая - от матери.
Мужской код отличается от женского последней парой хромосом — ХУ. Женский диплоидный набор — это последняя пара, ХХ. Мужчинам достается одна Х-хромосома от биологической матери, и затем она передается дочерям. Половая У-хромосома передается сыновьям.
Хромосомы человека значительно разнятся по размеру. Например, самая маленькая пара хромосом - №17. А самая большая пара - 1 и 3.
Диаметр двойной спирали у человека - всего 2 нм. ДНК настолько плотно закручена, что вмещается в маленьком ядре клетки, хотя ее длина будет достигать 2 метров, если ее раскрутить. Длина спирали — это сотни миллионов нуклеотидов.
Как передается генетический код?
Итак, какую роль играют в клетке молекулы ДНК при делении? Гены — носители наследственной информации - находятся внутри каждой клетки организма. Чтобы передать свой код дочернему организму, многие существа делят свое ДНК на 2 одинаковые спирали. Это называется репликацией. В процессе репликации ДНК расплетается и специальные «машины» дополняют каждую цепочку. После того как раздвоится генетическая спираль, начинает делиться ядро и все органеллы, а затем и вся клетка.
Но у человека другой процесс передачи генов - половой. Признаки отца и матери перемешиваются, в новом генетическом коде содержится информация от обоих родителей.
Хранение и передача наследственной информации возможны благодаря сложной организации спирали ДНК. Ведь как мы говорили, структура белков зашифрована именно в генах. Раз создавшись во время зачатия, этот код на протяжении всей жизни будет копировать сам себя. Кариотип (личный набор хромосом) не изменяется во время обновления клеток органов. Передача же информации осуществляется с помощью половых гамет — мужских и женских.
Передавать свою информацию потомству не способны только вирусы, содержащие одну цепочку РНК. Поэтому, чтобы воспроизводиться, им нужны клетки человека или животного.
Реализация наследственной информации
В ядре клетки постоянно происходят важные процессы. Вся информация, записанная в хромосомах, используется для построения белков из аминокислот. Но цепочка ДНК никогда не покидает ядро, поэтому здесь нужна помощь другого важного соединения = РНК. Как раз РНК способно проникнуть через мембрану ядра и взаимодействовать с цепочкой ДНК.
Посредством взаимодействия ДНК и 3 видов РНК происходит реализация всей закодированной информации. На каком уровне происходит реализация наследственной информации? Все взаимодействия происходят на уровне нуклеотидов. Информационная РНК копирует участок цепи ДНК и приносит эту копию в рибосому. Здесь начинается синтез из нуклеотидов новой молекулы.
Для того чтобы иРНК могла скопировать необходимую часть цепи, спираль разворачивается, а затем, по завершении процесса перекодировки, снова восстанавливается. Причем этот процесс может происходить одновременно на 2 сторонах 1 хромосомы.
Принцип комплементарности
Состоят из 4 нуклеотидов — это аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Соединены они водородными связями по правилу комплементарности. Работы Э. Чаргаффа помогли установить это правило, так как ученый заметил некоторые закономерности в поведении этих веществ. Э. Чаргафф открыл, что молярное отношение аденина к тимину равно единице. И точно так же отношение гуанина к цитозину всегда равно единице.
На основе его работ генетики сформировали правило взаимодействия нуклеотидов. Правило комплементарности гласит, что аденин соединяется только с тимином, а гуанин - с цитозином. Во время декодирования спирали и синтеза нового белка в рибосоме такое правило чередования помогает быстро найти необходимую аминокислоту, которая прикреплена к транспортной РНК.
РНК и его виды
Что такое наследственная информация? нуклеотидов в двойной цепи ДНК. А что такое РНК? В чем заключается ее работа? РНК, или рибонуклеиновая кислота, помогает извлекать информацию из ДНК, декодировать ее и на основе принципа комплементарности создавать необходимые клеткам белки.
Всего выделяют 3 вида РНК. Каждая из них выполняет строго свою функцию.
- Информационная (иРНК) , или еще ее называют матричная. Она заходит прямо в центр клетки, в ядро. Находит в одной из хромосом необходимый генетический материал для постройки белка и копирует одну из сторон двойной цепи. Копирование происходит снова по принципу комплементарности.
- Транспортная — это небольшая молекула, у которой на одной стороне декодеры-нуклеотиды, а на другой стороне соответствующие основному коду аминокислоты. Задача тРНК — доставить в «цех», то есть в рибосому, где синтезирует необходимую аминокислоту.
- рРНК — рибосомная. Она контролирует количество белка, который продуцируется. Состоит из 2 частей — аминокислотного и пептидного участка.
Единственное отличие при декодировании — у РНК нет тимина. Вместо тимина тут присутствует урацил. Но потом, в процессе синтеза белка, при ТРНК все равно правильно устанавливает все аминокислоты. Если же происходят какие-то сбои в декодировании информации, то возникает мутация.
Репарация поврежденной молекулы ДНК
Процесс восстановления поврежденной двойной цепочки называется репарацией. В процессе репарации поврежденные гены удаляются.
Затем необходимая последовательность элементов в точности воспроизводиться и врезается обратно в то же место на цепи, откуда было извлечено. Все это происходит благодаря специальным химическим веществам — ферментам.
Почему происходят мутации?
Почему некоторые гены начинают мутировать и перестают выполнять свою функцию — хранение жизненно необходимой наследственной информации? Это происходит из-за ошибки при декодировании. Например, если аденин случайно заменен на тимин.
Существуют также хромосомные и геномные мутации. Хромосомные мутации случаются, если участки наследственной информации выпадают, удваиваются либо вообще переносятся и встраиваются в другую хромосому.
Геномные мутации наиболее серьезны . Их причина - это изменение числа хромосом. То есть когда вместо пары — диплоидного набора присутствует в кариотипе триплоидный набор.
Наиболее известный пример триплоидной мутации — это синдром Дауна, при котором личный набор хромосом 47. У таких детей образуется 3 хромосомы на месте 21-й пары.
Известна также такая мутация, как полиплодия. Но полиплодия встречается только у растений.
