Промяна на ДНК поради преход. Структурата на ДНК молекулата
Молекулата на ДНК се състои от две вериги, образуващи двойна спирала. Неговата структура е дешифрирана за първи път от Франсис Крик и Джеймс Уотсън през 1953 г.
Първоначално молекулата на ДНК, състояща се от двойка нуклеотидни вериги, усукани една около друга, повдигна въпроси защо има такава форма. Учените нарекоха това явление комплементарност, което означава, че само определени нуклеотиди могат да бъдат разположени един срещу друг в неговите нишки. Например, аденинът винаги е срещу тимин, а гуанинът винаги е срещу цитозин. Тези нуклеотиди на молекулата на ДНК се наричат комплементарни.
Схематично това е показано по следния начин:
Т - А
C - G
Тези двойки образуват химична нуклеотидна връзка, която определя реда, в който са подредени аминокиселините. В първия случай тя е малко по-слаба. Връзката между C и G е по-силна. Некомплементарните нуклеотиди не образуват двойки един с друг.
Относно структурата
Така че структурата на ДНК молекулата е специална. Той има такава форма по причина: факт е, че броят на нуклеотидите е много голям и е необходимо много място за поставяне на дълги вериги. Именно поради тази причина веригите са присъщи на спиралното усукване. Това явление се нарича спирализация, позволява на нишките да се съкратят с коефициент пет или шест.
Някои молекули от такъв план се използват от тялото много активно, други рядко. Последните, в допълнение към спирализацията, също са подложени на такова „компактно опаковане“ като супернавиване. И тогава дължината на молекулата на ДНК намалява с 25-30 пъти.
Каква е "опаковката" на една молекула?
Хистоновите протеини участват в процеса на супернавиване. Имат структура и вид на макара за конец или прът. Върху тях се навиват спираловидни нишки, които веднага стават „компактно опаковани“ и заемат малко място. Когато се наложи да се използва една или друга нишка, тя се развива от намотка, например от хистонов протеин, и спиралата се развива в две успоредни вериги. Когато ДНК молекулата е в това състояние, от нея могат да бъдат прочетени необходимите генетични данни. Има обаче едно условие. Получаването на информация е възможно само ако структурата на ДНК молекулата е неусукана. Хромозомите, достъпни за четене, се наричат еухроматини и ако са суперспирализирани, това вече са хетерохроматини.
Нуклеинова киселина
Нуклеиновите киселини, подобно на протеините, са биополимери. Основната функция е съхраняването, внедряването и предаването на наследствена (генетична информация). Те са два вида: ДНК и РНК (дезоксирибонуклеинови и рибонуклеинови). Мономерите в тях са нуклеотиди, всеки от които има остатък от фосфорна киселина, петвъглеродна захар (дезоксирибоза/рибоза) и азотна основа. ДНК кодът включва 4 вида нуклеотиди - аденин (А) / гуанин (G) / цитозин (С) / тимин (Т). Те се различават по съдържащата се в тях азотна основа.
В молекулата на ДНК броят на нуклеотидите може да бъде огромен - от няколко хиляди до десетки и стотици милиони. Такива гигантски молекули могат да се видят през електронен микроскоп. В този случай ще бъде възможно да се види двойна верига от полинуклеотидни вериги, които са свързани помежду си чрез водородни връзки на азотните основи на нуклеотидите.
Изследвания
В хода на изследванията учените са установили, че видовете ДНК молекули в различните живи организми са различни. Установено е също, че гуанинът от една верига може да се свързва само с цитозин, а тиминът - с аденин. Подреждането на нуклеотидите на една верига стриктно съответства на паралелната. Поради тази комплементарност на полинуклеотидите, молекулата на ДНК е способна на дублиране и саморепликация. Но първо комплементарните вериги, под въздействието на специални ензими, които разрушават сдвоените нуклеотиди, се разминават и след това във всяка от тях започва синтеза на липсващата верига. Това се дължи на свободните нуклеотиди, налични в големи количества във всяка клетка. В резултат на това вместо „родителската молекула“ се образуват две „дъщерни“, идентични по състав и структура, а ДНК кодът става оригинален. Този процес е предшественик на клетъчното делене. Той осигурява прехвърлянето на всички наследствени данни от майчините клетки към дъщерните клетки, както и към всички следващи поколения.
Как се чете генният код?
Днес се изчислява не само масата на ДНК молекула - възможно е да се открият и по-сложни данни, които преди това не са били достъпни за учените. Например, можете да прочетете информация за това как тялото използва собствената си клетка. Разбира се, първоначално тази информация е в кодирана форма и има формата на определена матрица и следователно трябва да бъде транспортирана до специален носител, който е РНК. Рибонуклеиновата киселина е в състояние да проникне в клетката през ядрената мембрана и да прочете кодираната информация, която вече е вътре. Така РНК е носител на скрити данни от ядрото към клетката и се различава от ДНК по това, че съдържа рибоза вместо дезоксирибоза и урацил вместо тимин. Освен това РНК е едноверижна.
синтез на РНК
Дълбок анализ на ДНК показа, че след като РНК напусне ядрото, тя навлиза в цитоплазмата, където може да бъде интегрирана като шаблон в рибозомите (специални ензимни системи). Водени от получената информация, те могат да синтезират подходящата последователност от протеинови аминокиселини. Рибозомата научава от триплетния код кой вид органично съединение трябва да бъде прикрепено към възникващата протеинова верига. Всяка аминокиселина има свой специфичен триплет, който я кодира.
След завършване на образуването на веригата тя придобива специфична пространствена форма и се превръща в протеин, способен да изпълнява своите хормонални, градивни, ензимни и други функции. За всеки организъм това е генен продукт. Именно от него се определят всякакви качества, свойства и проявления на гените.
гени
На първо място са разработени процеси на секвениране с цел получаване на информация за това колко гена има структурата на една ДНК молекула. И въпреки че изследванията позволиха на учените да напреднат далеч по този въпрос, все още не е възможно да се знае точният им брой.
Преди няколко години се предполагаше, че ДНК молекулите съдържат приблизително 100 000 гена. Малко по-късно цифрата намалява до 80 000, а през 1998 г. генетиците заявяват, че в една ДНК присъстват само 50 000 гена, които са само 3% от цялата дължина на ДНК. Но те бяха поразени от последните заключения на генетиците. Сега те твърдят, че геномът съдържа 25-40 хиляди от споменатите единици. Оказва се, че само 1,5% от хромозомната ДНК е отговорна за кодирането на протеини.
Изследването не спря дотук. Паралелен екип от специалисти по генно инженерство установи, че броят на гените в една молекула е точно 32 000. Както виждате, все още е невъзможно да се получи окончателен отговор. Твърде много противоречия. Всички изследователи разчитат само на своите открития.
Имало ли е еволюция?
Въпреки факта, че няма доказателства за еволюцията на молекулата (тъй като структурата на молекулата на ДНК е крехка и има малък размер), учените все пак направиха едно предположение. Въз основа на лабораторни данни те изразиха версията за следното съдържание: молекулата в началния етап на появата си имаше формата на прост самовъзпроизвеждащ се пептид, който включваше до 32 аминокиселини, съдържащи се в древните океани.
След саморепликация, поради силите на естествения подбор, молекулите имат способността да се предпазват от въздействието на външните елементи. Те започнаха да живеят по-дълго и да се размножават в големи количества. Молекулите, които са се озовали в липидния мехур, имат всички шансове да се възпроизвеждат. В резултат на поредица от последователни цикли, липидните мехурчета придобиха формата на клетъчни мембрани и само по-нататък - добре познати частици. Трябва да се отбележи, че днес всяка част от молекулата на ДНК е сложна и добре функционираща структура, всички характеристики на която все още не са напълно проучени от учените.
Модерен свят
Наскоро учени от Израел разработиха компютър, който може да извършва трилиони операции в секунда. Днес това е най-бързият автомобил на Земята. Цялата тайна се крие във факта, че иновативното устройство функционира от ДНК. Професорите казват, че в близко бъдеще подобни компютри дори ще могат да генерират енергия.
Специалисти от института Weizmann в Реховот (Израел) преди година обявиха създаването на програмируем молекулен компютър, състоящ се от молекули и ензими. С тях замениха силициевите микрочипове. Към днешна дата отборът продължи напред. Сега само една молекула ДНК може да осигури на компютъра необходимите данни и да осигури необходимото гориво.
Биохимичните „нанокомпютри“ не са измислица, те вече съществуват в природата и се проявяват във всяко живо същество. Но често те не се контролират от хората. Човек все още не може да оперира с генома на нито едно растение, за да изчисли, да речем, числото "Пи".
Идеята за използване на ДНК за съхраняване/обработка на данни за първи път удари светлите глави на учените през 1994 г. Тогава беше използвана молекула за решаване на проста математически задача. Оттогава редица изследователски групи са предложили различни проекти, свързани с ДНК компютрите. Но тук всички опити се основаваха само на енергийната молекула. Не можете да видите такъв компютър с невъоръжено око, той изглежда като прозрачен разтвор на вода в епруветка. В него няма механични части, а само трилиони биомолекулни устройства - и това е само в една капка течност!
Човешка ДНК
За каква човешка ДНК хората разбраха през 1953 г., когато учените за първи път успяха да демонстрират на света двуверижен модел на ДНК. За това Кърк и Уотсън получиха Нобелова награда, тъй като това откритие стана фундаментално през 20-ти век.
С течение на времето, разбира се, те доказаха, че не само както в предложената версия, може да изглежда структурирана човешка молекула. След по-подробен ДНК анализ, те откриха A-, B- и лявата форма на Z-. Форма А- често е изключение, тъй като се образува само при липса на влага. Но това е възможно само при лабораторни изследвания, за естествената среда това е ненормално, в жива клетка такъв процес не може да се случи.
B-образната форма е класическа и е известна като двойна дясна верига, но Z-образната форма е не само усукана назад, наляво, но има и по-зигзагообразен вид. Учените са идентифицирали и формата на G-квадруплекс. В структурата си не 2, а 4 нишки. Според генетиците тази форма се среща в онези области, където има излишно количество гуанин.
Изкуствена ДНК
Днес вече съществува изкуствена ДНК, която е идентично копие на истинската; той перфектно повтаря структурата на естествената двойна спирала. Но за разлика от оригиналния полинуклеотид, в изкуствения има само два допълнителни нуклеотида.
Тъй като дублажът е създаден на базата на информация, получена в хода на различни изследвания на истинска ДНК, той също може да бъде копиран, самовъзпроизвеждан и еволюиран. Специалисти работят върху създаването на такава изкуствена молекула от около 20 години. Резултатът е невероятно изобретение, което може да използва генетичния код по същия начин като естествената ДНК.
Към четирите съществуващи азотни бази генетиката добави още две, които са създадени по метода на химическа модификация на естествените основи. За разлика от естествената, изкуствената ДНК се оказа доста къса. Съдържа само 81 базови двойки. Въпреки това, той също се възпроизвежда и еволюира.
Репликацията на молекула, получена по изкуствен път, става благодарение на полимеразната верижна реакция, но засега това не се случва самостоятелно, а чрез намесата на учени. Те самостоятелно добавят необходимите ензими към споменатата ДНК, като я поставят в специално подготвена течна среда.
Краен резултат
Процесът и крайният резултат от развитието на ДНК могат да бъдат повлияни от различни фактори, като мутации. Това води до задължителното изследване на проби от материя, така че резултатът от анализите да е надежден и надежден. Пример за това е тест за бащинство. Но човек не може да не се радва, че подобни инциденти като мутация са редки. Независимо от това, пробите от материята винаги се проверяват отново, за да се получи по-точна информация въз основа на анализа.
растителна ДНК
Благодарение на високотехнологичното секвениране (HTS) е направена революция в областта на геномиката – възможно е и изолирането на ДНК от растенията. Разбира се, получаването на висококачествена молекулна маса на ДНК от растителен материал причинява известни трудности поради големия брой копия на митохондриите и хлоропластите на ДНК, както и високото ниво на полизахариди и фенолни съединения. В този случай се използват различни методи за изолиране на структурата, която разглеждаме.
Водородна връзка в ДНК
Водородната връзка в молекулата на ДНК е отговорна за електромагнитното привличане, създадено между положително заредения водороден атом, който е прикрепен към електроотрицателния атом. Това диполно взаимодействие не попада под критерия за химическо свързване. Но може да се реализира междумолекулно или в различни части на молекулата, тоест вътремолекулно.
Водороден атом е прикрепен към електроотрицателен атом, който е донор на тази връзка. Електроотрицателният атом може да бъде азот, флуор, кислород. Той – чрез децентрализация – привлича електронен облак от водородното ядро към себе си и прави водородния атом зареден (частично) положително. Тъй като размерът на H е малък в сравнение с други молекули и атоми, зарядът също е малък.
Дешифриране на ДНК
Преди да дешифрират ДНК молекула, учените първо вземат огромен брой клетки. За най-точната и успешна работа са ви необходими около милион от тях. Резултатите, получени по време на изследването, непрекъснато се сравняват и записват. Днес секвенирането на генома вече не е рядкост, а достъпна процедура.
Разбира се, дешифрирането на генома на една клетка е неподходящо упражнение. Данните, получени в хода на подобни изследвания, не представляват интерес за учените. Но е важно да се разбере, че всички съществуващи в момента методи за декодиране, въпреки тяхната сложност, не са достатъчно ефективни. Те ще ви позволят да прочетете само 40-70% от ДНК.
Въпреки това професорите от Харвард наскоро обявиха метод, чрез който 90% от генома може да бъде декодиран. Техниката се основава на добавяне на праймерни молекули към изолирани клетки, с помощта на които започва репликацията на ДНК. Но дори този метод не може да се счита за успешен; той все още трябва да бъде усъвършенстван, преди да бъде открито използван в науката.
Молекулата на ДНК е полинуклеотид, мономерните единици на който са четири дезоксирибонуклеотида (dAMP, dGMP, dCMP и dTMP). Съотношението и нуклеотидите в ДНК на различните организми са различни. Освен основните азотни бази, ДНК съдържа и други дезоксирибонуклеотиди с минорни бази: 5-метилцитозин, 5-хидроксиметилцитозин, 6-метиламинопурин.
След като стана възможно да се използва методът на рентгенова кристалография за изследване на биологични макромолекули и получаване на перфектни рентгенови модели, беше възможно да се изясни молекулярната структура на ДНК. Този метод се основава на факта, че лъч от паралелни рентгенови лъчи, падащи върху кристален клъстер от атоми, образува дифракционна картина, която зависи главно от атомната маса на тези атоми, тяхното местоположение в пространството. През 40-те години на миналия век беше изложена теория за триизмерната структура на молекулата на ДНК. У. Астбъри доказа, че това е купчина плоски нуклеотиди, насложени един върху друг.
Първична структура на молекулата на ДНК
Първичната структура на нуклеиновите киселини се отнася до последователността на нуклеотидите в ДНК полинуклеотидната верига. Нуклеотидите са свързани помежду си чрез фосфодиестерни връзки, които се образуват между ОН групата на позиция 5 на дезоксирибозата на един нуклеотид и ОН групата в позиция 3 на пентозата на друг.
Биологичните свойства на нуклеиновите киселини се определят от качественото съотношение и последователността на нуклеотидите по полинуклеотидната верига.
Нуклеотидният състав на ДНК в различните организми е специфичен и се определя от съотношението (G + C) / (A + T). С помощта на коефициента на специфичност се определя степента на хетерогенност на нуклеотидния състав на ДНК в организми от различен произход. Така при висшите растения и животни съотношението (G + C) / (A + T) се колебае леко и има стойност, по-голяма от 1. При микроорганизмите коефициентът на специфичност варира в широк диапазон – от 0,35 до 2,70. В същото време даден биологичен вид съдържа ДНК със същия нуклеотиден състав, т.е. може да се каже, че ДНК на един вид е идентична по отношение на съдържанието на GC базови двойки.
Определянето на хетерогенността на нуклеотидния състав на ДНК чрез коефициента на специфичност все още не дава информация за нейните биологични свойства. Последното се дължи на различната последователност на отделните нуклеотидни места в полинуклеотидната верига. Това означава, че генетичната информация в молекулите на ДНК е кодирана в специфична последователност от нейните мономерни единици.
Молекулата на ДНК съдържа нуклеотидни последователности, предназначени да инициират и прекратяват процесите на синтез на РНК (транскрипция), (транслация). Има нуклеотидни последователности, които служат за свързване на специфични активиращи и инхибиращи регулаторни молекули, както и нуклеотидни последователности, които не носят никаква генетична информация. Има и модифицирани участъци, които предпазват молекулата от действието на нуклеазите.
Проблемът с нуклеотидната последователност на ДНК все още не е напълно разрешен. Определянето на нуклеотидната последователност на нуклеиновите киселини е трудоемка процедура, включваща използването на метода за специфично нуклеазно разцепване на молекули на отделни фрагменти. Към днешна дата пълната нуклеотидна последователност от азотни бази е установена за повечето тРНК от различен произход.
ДНК молекула: вторична структура
Уотсън и Крик проектират модела с двойна спирала. Според този модел две полинуклеотидни вериги се увиват една около друга, като по този начин образуват един вид спирала.
Азотните основи в тях са разположени вътре в структурата, а фосфодиестерният гръбнак е отвън.
ДНК молекула: третична структура
Линейната ДНК в клетката има формата на удължена молекула, тя е опакована в компактна структура и заема само 1/5 от обема на клетката. Например, дължината на ДНК на човешката хромозома достига 8 cm и е опакована така, че да се побере в хромозома с дължина 5 nm. Такова оформяне е възможно поради наличието на спираловидни структури на ДНК. От това следва, че двойноверижната спирала на ДНК в космоса може да бъде допълнително нагъната в определена третична структура – суперспирала. Конформацията на супернамотка на ДНК е характерна за хромозомите на висшите организми. Такава третична структура се стабилизира от аминокиселинни остатъци, които изграждат тези протеини, които образуват нуклеопротеиновия комплекс (хроматин). Следователно ДНК се свързва главно с основни протеини - хистони, както и с киселинни протеини и фосфопротеини.
Уотсъни викпоказа това ДНКсе състои от две полинуклеотидни вериги. Всяка верига е усукана в спирала вдясно и двете са усукани заедно, тоест усукани надясно около една и съща ос, образувайки двойна спирала.
Веригите са антипаралелни, тоест са насочени в противоположни посоки. Всяка верига от ДНКсе състои от захарно-фосфатен гръбнак, по протежение на който основите са разположени перпендикулярно на дългата ос на двойната спирала; противоположните основи на две противоположни вериги на двойната спирала са свързани с водородни връзки.
гръбнаци от захарен фосфат две нишки двойна спираласа ясно видими на пространствения модел на ДНК. Разстоянието между захарно-фосфатните гръбнаци на двете вериги е постоянно и е равно на разстоянието, заето от основна двойка, тоест един пурин и един пиримидин. Два пурина биха заели твърде много място, а два пиримидина биха заели твърде малко място, за да запълнят празнините между двете вериги.
По оста на молекулата съседни базови двойки са разположени на разстояние 0,34 nm една от друга, което обяснява периодичността, открита в рентгеновите модели. Пълен завой на спиралатапада върху 3,4 nm, т.е. 10 базови двойки. Няма ограничения за последователността на нуклеотидите в една верига, но поради правилото за сдвояване на основите, тази последователност в една верига определя последователността на нуклеотидите в другата верига. Следователно, ние казваме, че двете нишки на двойната спирала са взаимно допълващи се.
Уотсъни викпубликува съобщение за вашия ДНК моделв списание "" през 1953 г., а през 1962 г., заедно с Морис Уилкинс, те са удостоени с Нобелова награда за това произведение. През същата година Кендрю и Перуц получават Нобелова награда за работата си по определянето на триизмерната структура на протеините, извършена също чрез рентгенов дифракционен анализ. Розалинд Франклин, която почина от рак преди връчването на тези награди, не беше включена в списъка на лауреатите, тъй като Нобеловата награда не се присъжда посмъртно.
За да се разпознае предложената структура като генетичен материал, беше необходимо да се покаже, че тя е способна: 1) да носи кодирана информация и 2) да бъде точно възпроизвеждана (възпроизвеждана). Уотсън и Крик бяха наясно, че техният модел отговаря на тези изисквания. В края на първата си статия те отбелязаха сдържано: „Не убягна от вниманието ни, че специфичното сдвояване на основите, което постулирахме веднага ни позволява да постулираме възможен механизъм за копиране на генетичния материал“.
Във втора статия, публикувана през същата 1953 г., те обсъждат последиците от техния модел в генетичен план. Това откритие показа как изрична структураможе да се свърже с функция вече на молекулярно ниво, даде мощен тласък на развитието на молекулярната биология.
МОСКВА, 25 април - РИА Новости, Татяна Пичугина.Точно преди 65 години британските учени Джеймс Уотсън и Франсис Крик публикуваха статия за дешифрирането на структурата на ДНК, поставяйки основите на една нова наука – молекулярната биология. Това откритие промени много в живота на човечеството. РИА Новости разказва за свойствата на молекулата ДНК и защо е толкова важна.
През втората половина на 19 век биологията е много млада наука. Учените тепърва започваха да изучават клетката и концепцията за наследствеността, макар и вече формулирана от Грегор Мендел, не беше широко приета.
През пролетта на 1868 г. младият швейцарски лекар Фридрих Мишер пристига в университета в Тюбинген (Германия), за да се занимава с научна работа. Той възнамеряваше да разбере от какви вещества се състои клетката. За експерименти избрах левкоцити, които лесно се получават от гной.
Отделяйки ядрото от протоплазмата, протеините и мазнините, Мишер открива съединение с високо съдържание на фосфор. Той нарече тази молекула нуклеин ("ядро" на латински - ядро).
Това съединение проявява киселинни свойства, поради което е въведен терминът "нуклеинова киселина". Неговият префикс "дезоксирибо" означава, че молекулата съдържа Н-групи и захари. Тогава се оказа, че всъщност това е сол, но името не е променено.
В началото на 20-ти век учените вече знаеха, че нуклеинът е полимер (тоест много дълга, гъвкава молекула от повтарящи се единици), единиците са съставени от четири азотни бази (аденин, тимин, гуанин и цитозин) и нуклеинът се съдържа в хромозомите - компактни структури, които се срещат в делящите се клетки. Способността им да предават наследствени белези е демонстрирана от американския генетик Томас Морган в експерименти върху дрозофила.
Моделът, който обясняваше гените
Но това, което дезоксирибонуклеиновата киселина, съкратено ДНК, прави в клетъчното ядро, не беше разбрано дълго време. Смята се, че той играе някаква структурна роля в хромозомите. Единиците на наследствеността - гените - се приписват на протеиновата природа. Пробивът е направен от американския изследовател Осуалд Ейвъри, който експериментално доказа, че генетичният материал се предава от бактерия на бактерия чрез ДНК.
Стана ясно, че трябва да се изследва ДНК. Но как? По това време учените са били достъпни само за рентгенови лъчи. За да блестят през биологичните молекули, те трябваше да бъдат кристализирани, което е трудно. Дешифрирането на структурата на протеиновите молекули от рентгенови модели беше извършено в лабораторията на Кавендиш (Кеймбридж, Великобритания). Младите изследователи, работещи там, Джеймс Уотсън и Франсис Крик, не разполагаха със собствени експериментални данни за ДНК, затова използваха рентгенови лъчи на колеги от Кралския колеж Морис Уилкинс и Розалинд Франклин.
Уотсън и Крик предложиха модел на структурата на ДНК, който точно съвпада с рентгенови модели: две успоредни нишки са усукани в дясна спирала. Всяка верига е съставена от произволен набор от азотни основи, нанизани върху гръбнака на техните захари и фосфати и държани заедно от водородни връзки, опънати между основите. Освен това аденинът се комбинира само с тимин, а гуанинът с цитозин. Това правило се нарича принцип на допълване.
Моделът на Уотсън и Крик обяснява четирите основни функции на ДНК: репликацията на генетичния материал, неговата специфичност, съхранението на информация в молекула и способността й да мутира.
Учените публикуват своето откритие в списание Nature на 25 април 1953 г. Десет години по-късно, заедно с Морис Уилкинс, те са удостоени с Нобелова награда по биология (Розалинд Франклин умира през 1958 г. от рак на 37-годишна възраст).
„Сега, повече от половин век по-късно, може да се каже, че откриването на структурата на ДНК играе същата роля в развитието на биологията, както откриването на атомното ядро във физиката. Изясняването на структурата на атома доведе до раждането на нова, квантова физика и откриването на структурата на ДНК доведоха до раждането на нова, молекулярна биология“, пише Максим Франк-Каменецки, изключителен генетик, изследовател на ДНК, автор на книгата „Най-важното Молекула”.
Генетичен код
Сега оставаше да разберем как работи тази молекула. Известно е, че ДНК съдържа инструкции за синтеза на клетъчни протеини, които вършат цялата работа в клетката. Протеините са полимери, съставени от повтарящи се набори (последователности) от аминокиселини. Освен това има само двадесет аминокиселини. Животинските видове се различават един от друг по набора от протеини в клетките, тоест по различни последователности от аминокиселини. Генетиката твърди, че тези последователности са определени от гени, които, както се смяташе тогава, служат като първите градивни елементи на живота. Но какви са гените, никой всъщност не знаеше.
Яснотата е внесена от автора на теорията за Големия взрив, физикът Георги Гъмов, служител на университета Джордж Вашингтон (САЩ). Въз основа на модела на двуверижна ДНК спирала на Уотсън и Крик, той предполага, че генът е участък от ДНК, тоест определена последователност от връзки - нуклеотиди. Тъй като всеки нуклеотид е една от четирите азотни бази, въпросът е само да разберем как четири елемента кодират двадесет. Това беше идеята зад генетичния код.
В началото на 60-те години на миналия век е установено, че протеините се синтезират от аминокиселини в рибозомите - един вид "фабрика" вътре в клетката. За да започне протеиновия синтез, ензимът се приближава до ДНК, разпознава определена област в началото на гена, синтезира копие на гена под формата на малка РНК (нарича се матрица), след което протеинът се отглежда от аминокиселини в рибозомата.
Те също така установиха, че генетичният код е трибуквен. Това означава, че три нуклеотида съответстват на една аминокиселина. Единицата код се нарича кодон. В рибозомата информацията от иРНК се чете кодон по кодон, последователно. И всеки от тях отговаря на няколко аминокиселини. Как изглежда шифърът?
На този въпрос отговориха Маршал Ниренберг и Хайнрих Матей от САЩ. През 1961 г. те за първи път съобщават за резултатите си на биохимичен конгрес в Москва. До 1967 г. генетичният код е напълно дешифриран. Оказа се, че е универсален за всички клетки на всички организми, което има далечни последици за науката.
Откриването на структурата на ДНК и генетичния код напълно преориентира биологичните изследвания. Фактът, че всеки индивид има уникална ДНК последователност, промени драстично криминалистичната наука. Дешифрирането на човешкия геном даде на антрополозите изцяло нов начин за изследване на еволюцията на нашия вид. Наскоро изобретеният CRISPR-Cas ДНК редактор има значително напредък в генното инженерство. Очевидно тази молекула съхранява и решението на най-належащите проблеми на човечеството: рак, генетични заболявания, стареене.
Молекулярна генетика – клон на генетиката, който се занимава с изучаване на наследствеността на молекулярно ниво.
Нуклеинова киселина. ДНК репликация. Реакции на матричен синтез
Нуклеиновите киселини (ДНК, РНК) са открити през 1868 г. от швейцарския биохимик И.Ф. Мишър. Нуклеиновите киселини са линейни биополимери, състоящи се от мономери – нуклеотиди.
ДНК - структура и функции
Химическата структура на ДНК е дешифрирана през 1953 г. от американския биохимик Дж. Уотсън и английския физик Ф. Крик.
Обща структура на ДНК.Молекулата на ДНК се състои от 2 вериги, които са усукани в спирала (фиг. 11), една около друга и около обща ос. Молекулите на ДНК могат да съдържат от 200 до 2x10 8 базови двойки. По протежение на спиралата на молекулата на ДНК съседните нуклеотиди са разположени на разстояние 0,34 nm един от друг. Пълен завой на спиралата включва 10 базови двойки. Дължината му е 3,4 nm.
Ориз. 11 . Структурна диаграма на ДНК (двойна спирала)
Полимеризъм на молекулата на ДНК.Молекулата на ДНК - биоплоимер - се състои от сложни съединения - нуклеотиди.
Структурата на ДНК нуклеотида.ДНК нуклеотидът се състои от 3 връзки: една от азотните бази (аденин, гуанин, цитозин, тимин); дезоксисирибоза (монозахарид); остатък от фосфорна киселина (фиг. 12).
Има 2 групи азотни основи:
пурин - аденин (А), гуанин (G), съдържащ два бензенови пръстена;
пиримидин - тимин (Т), цитозин (С), съдържащ един бензенов пръстен.
ДНК се състои от следните видове нуклеотиди: аденин (А); гуанин (G); цитозин (С); тимин (Т).Имената на нуклеотидите съответстват на имената на азотните основи, които съставляват техния състав: аденинов нуклеотид азотна основа аденин; гуанин нуклеотид азотна база гуанин; цитозин нуклеотид азотна база цитозин; тимин нуклеотид азотна основа тимин.
Съединяване на две вериги ДНК в една молекула
Нуклеотидите A, G, C и T от една верига са свързани съответно с нуклеотидите T, C, G и A от друга верига водородни връзки. Две водородни връзки се образуват между A и T, а три водородни връзки се образуват между G и C (A=T, G≡C).
Базовите двойки (нуклеотиди) A - T и G - C се наричат комплементарни, тоест взаимно съответстващи. допълване- това е химичното и морфологичното съответствие на нуклеотидите един с друг в сдвоени ДНК вериги.
5 ’ 3 ’
1 2 3
3’ 5’
Ориз. 12Секция от двойната спирала на ДНК. Структурата на нуклеотида (1 - остатък от фосфорна киселина; 2 - дезоксирибоза; 3 - азотна основа). Свързване на нуклеотиди с помощта на водородни връзки.
Вериги в молекулата на ДНК антипаралелен,т.е., насочени в противоположни посоки, така че 3' края на една нишка е срещу 5' края на другата нишка. Генетичната информация в ДНК се записва от 5' края до 3' края. Тази верига се нарича сетивна ДНК,
защото там са гените. Втората нишка - 3'–5' служи като стандарт за съхранение на генетична информация.
Съотношението между броя на различните бази в ДНК е установено от Е. Чаргаф през 1949 г. Чаргаф установява, че в ДНК на различни видове количеството аденин е равно на количеството на тимин, а количеството гуанин е равно на количеството на цитозин.
Правилото на Е. Чаргаф:
в молекула на ДНК броят на А (адениновите) нуклеотиди винаги е равен на броя на Т (тиминовите) нуклеотиди или на съотношението ∑ A към ∑ T=1. Сумата от G (гуанинови) нуклеотиди е равна на сумата от C (цитозин) нуклеотиди или съотношението ∑ G към ∑ C=1;
сумата на пуриновите бази (A + G) е равна на сумата от пиримидиновите бази (T + C) или съотношението ∑ (A + G) към ∑ (T + C) \u003d 1;
Метод на синтез на ДНК - репликация. Репликацията е процес на самоудвояване на ДНК молекулата, осъществяван в ядрото под контрола на ензими. Настъпва самоудвояване на ДНК молекулата на базата на допълване- стриктно съответствие на нуклеотидите един с друг в сдвоени ДНК вериги. В началото на процеса на репликация молекулата на ДНК се развива (деспирализира) в определена област (фиг. 13), докато водородните връзки се освобождават. На всяка от веригите, образувани след разкъсване на водородните връзки, с участието на ензима ДНК полимераза,се синтезира дъщерна верига от ДНК. Материалът за синтез са свободни нуклеотиди, съдържащи се в цитоплазмата на клетките. Тези нуклеотиди се подреждат комплементарно към нуклеотидите на двете родителски ДНК вериги. Ензим ДНК полимеразасвързва комплементарни нуклеотиди към веригата на ДНК матрица. Например за нуклеотид НОшаблонна верижна полимераза добавя нуклеотид Tи съответно към G нуклеотида, С нуклеотида (фиг. 14). Омрежването на комплементарни нуклеотиди става с помощта на ензим ДНК лигази. По този начин, две дъщерни вериги на ДНК се синтезират чрез самодупликация.
Получените две ДНК молекули от една ДНК молекула са полуконсервативен модел, тъй като се състоят от старата родителска и нова дъщерна вериги и са точно копие на родителската молекула (фиг. 14). Биологичното значение на репликацията се крие в точния трансфер на наследствена информация от родителската молекула към детето.
Ориз. 13 . Деспирализация на ДНК молекула от ензим
1
Ориз. 14 . Репликация - образуването на две ДНК молекули от една ДНК молекула: 1 - дъщерна ДНК молекула; 2 - майка (родителска) ДНК молекула.
Ензимът ДНК полимераза може да се движи само по веригата на ДНК в посока 3' –> 5'. Тъй като комплементарните вериги в молекулата на ДНК са насочени в противоположни посоки и ензимът на ДНК полимеразата може да се движи по веригата на ДНК само в посока 3'->5', синтезът на нови вериги протича антипаралелно ( според принципа на антипаралелизма).
Местоположение на ДНК. ДНК се съдържа в клетъчното ядро, в матрикса на митохондриите и хлоропластите.
Количеството ДНК в клетката е постоянно и е 6,6x10 -12 g.
Функции на ДНК:
Съхранение и предаване в редица поколения на генетична информация към молекули и - РНК;
Структурни. ДНК е структурната основа на хромозомите (хромозомата е 40% ДНК).
ДНК видова специфичност. Нуклеотидният състав на ДНК служи като видов критерий.
РНК, структура и функции.
Обща структура.
РНК е линеен биополимер, състоящ се от единична полинуклеотидна верига. Разграничаване на първични и вторични структури на РНК. Първичната структура на РНК е едноверижна молекула, докато вторичната структура е кръстосана и е характерна за t-РНК.
Полимеризъм на молекулата на РНК. Молекулата на РНК може да бъде от 70 нуклеотида до 30 000 нуклеотида. Нуклеотидите, които изграждат РНК са както следва: аденил (А), гуанил (G), цитидил (С), урацил (U). В РНК тиминовият нуклеотид се заменя с урацилов нуклеотид (U).
Структурата на РНК нуклеотида.
РНК нуклеотидът включва 3 единици:
азотна основа (аденин, гуанин, цитозин, урацил);
монозахарид - рибоза (в рибозата има кислород при всеки въглероден атом);
остатък от фосфорна киселина.
Метод на синтез на РНК - транскрипция. Транскрипцията, подобно на репликацията, е реакция на синтез на шаблон. Матрицата е молекулата на ДНК. Реакцията протича по принципа на комплементарност на една от ДНК вериги (фиг. 15). Процесът на транскрипция започва с деспирализация на ДНК молекула на определено място. Транскрибираната ДНК верига има промотор -група ДНК нуклеотиди, от които започва синтеза на РНК молекула. Ензимът се свързва с промотор РНК полимераза. Ензимът активира процеса на транскрипция. Съгласно принципа на комплементарността нуклеотидите, идващи от цитоплазмата на клетката към транскрибираната ДНК верига, са завършени. РНК полимеразата активира подреждането на нуклеотидите в една верига и образуването на РНК молекула.
Има четири етапа в процеса на транскрипция: 1) свързване на РНК полимеразата с промотор; 2) началото на синтеза (инициация); 3) удължаване - растежът на РНК веригата, т.е. има последователно прикрепване на нуклеотиди един към друг; 4) терминация – завършване на синтеза на иРНК.
Ориз. 15 . Схема на транскрипция
1 - ДНК молекула (двойна верига); 2 – молекула РНК; 3-кодони; 4- промотор.
През 1972 г. американски учени - вирусолог H.M. Темин и молекулярният биолог Д. Балтимор откриват обратна транскрипция върху вируси в туморни клетки. обратна транскрипцияпренаписване на генетична информация от РНК към ДНК. Процесът се извършва с помощта на ензим. обратна транскриптаза.
Типове РНК по функция
Месинджър или месинджър РНК (i-RNA или mRNA) пренася генетична информация от молекулата на ДНК до мястото на синтеза на протеин – рибозомата. Синтезиран в ядрото с участието на ензима РНК полимераза. Той съставлява 5% от всички видове клетъчна РНК. иРНК включва от 300 нуклеотида до 30 000 нуклеотида (най-дългата верига сред РНК).
Трансферната РНК (t-RNA) транспортира аминокиселини до мястото на протеиновия синтез, рибозомата. Има формата на кръст (фиг. 16) и се състои от 70 - 85 нуклеотида. Количеството му в клетката е 10-15% от РНК на клетката.
Ориз. 16Схема на структурата на t-РНК: A-D - двойки нуклеотиди, свързани с водородни връзки; E - мястото на закрепване на аминокиселината (акцепторно място); Е - антикодон.
3. Рибозомната РНК (r-RNA) се синтезира в ядрото и е част от рибозомите. Включва приблизително 3000 нуклеотида. Той съставлява 85% от РНК на клетката. Този тип РНК се намира в ядрото, в рибозомите, в ендоплазмения ретикулум, в хромозомите, в митохондриалния матрикс, а също и в пластидите.
Основи на цитологията. Решаване на типични задачи
Задача 1
Колко тимин и аденин нуклеотиди се съдържат в ДНК, ако в нея се намират 50 цитозинови нуклеотида, което е 10% от всички нуклеотиди.
Решение.Съгласно правилото за комплементарност в двойната верига на ДНК, цитозинът винаги е комплементарен с гуанина. 50 цитозинови нуклеотида съставляват 10%, следователно, според правилото на Чаргаф, 50 гуанинови нуклеотида също съставляват 10% или (ако ∑C = 10%, тогава ∑G = 10%).
Сумата на двойка нуклеотиди C + G е 20%
Сумата от двойка нуклеотиди T + A = 100% - 20% (C + G) = 80%
За да разберете колко тимин и аденин нуклеотиди са в ДНК, трябва да направите следната пропорция:
50 цитозинови нуклеотида → 10%
X (T + A) → 80%
X = 50x80: 10 = 400 броя
Според правилото на Чаргаф, ∑A= ∑T, следователно ∑A=200 и ∑T=200.
Отговор:броят на тимина, както и на адениновите нуклеотиди в ДНК, е 200.
Задача 2
Тиминовите нуклеотиди в ДНК съставляват 18% от общия брой нуклеотиди. Определете процента на други видове нуклеотиди, съдържащи се в ДНК.
Решение.∑T=18%. Съгласно правилото на Чаргаф, ∑T=∑A, следователно, адениновите нуклеотиди също представляват 18% (∑A=18%).
Сумата от базовата двойка T + A е 36% (18% + 18% = 36%). За двойка нуклеотиди Gi C представлява: G + C \u003d 100% -36% \u003d 64%. Тъй като гуанинът винаги е комплементарен с цитозина, тяхното съдържание в ДНК ще бъде равно,
т.е. ∑ G= ∑C=32%.
Отговор: съдържанието на гуанин, подобно на цитозин, е 32%.
Задача 3
20 цитозинова ДНК нуклеотида съставляват 10% от общия брой нуклеотиди. Колко аденинови нуклеотида има в една молекула на ДНК?
Решение.В двойна верига на ДНК количеството цитозин е равно на количеството гуанин, следователно тяхната сума е: C+G=40 нуклеотида. Намерете общия брой нуклеотиди:
20 цитозинови нуклеотида → 10%
X (общ брой нуклеотиди) → 100%
X=20x100:10=200 бр
A + T = 200 - 40 \u003d 160 броя
Тъй като аденинът е комплементарен с тимин, тяхното съдържание ще бъде равно,
т.е. 160 броя: 2=80 броя, или ∑A=∑T=80.
Отговор: Има 80 аденинови нуклеотида в една ДНК молекула.
Задача 4
Добавете нуклеотидите на дясната ДНК верига, ако са известни нуклеотидите на нейната лява верига: AGA - TAT - GTG - TCT
Решение.Изграждането на дясната ДНК верига според дадена лява верига се осъществява според принципа на комплементарност – стриктното съответствие на нуклеотидите един с друг: аденон – тимин (A-T), гуанин – цитозин (G-C). Следователно нуклеотидите на дясната ДНК верига трябва да бъдат както следва: TCT - ATA - CAC - AGA.
Отговор: нуклеотиди на дясната ДНК верига: TCT - ATA - CAC - AGA.
Задача 5
Запишете транскрипцията, ако транскрибираната ДНК верига има следния нуклеотиден ред: AGA - TAT - THT - TCT.
Решение. Молекулата i-RNA се синтезира според принципа на комплементарност върху една от веригите на молекулата на ДНК. Ние знаем реда на нуклеотидите в транскрибираната ДНК верига. Следователно е необходимо да се изгради комплементарна верига от иРНК. Трябва да се помни, че вместо тимин, молекулата на РНК включва урацил. следователно:
ДНК верига: AGA - TAT - TGT - TCT
i-RNA верига: UCU - AUA - ACA - AGA.
Отговор: i-RNA нуклеотидната последователност е както следва: UCU - AUA - ACA -AGA.
Задача 6
Запишете обратната транскрипция, т.е. изградете фрагмент от двуверижна ДНК молекула според предложения фрагмент на иРНК, ако веригата на иРНК има следната нуклеотидна последователност:
GCG – ACA – UUU – UCG – CSU – ASU – AGA
Решение.Обратната транскрипция е синтез на ДНК молекула въз основа на генетичния код на иРНК. i-RNA, кодираща молекулата на ДНК, има следния ред на нуклеотиди: GCG - ACA - UUU - UCG - CGU - AGU - AGA. Комплементарната към него ДНК верига: CHC - TGT - AAA - AGC - HCA - TCA - TCT. Втора верига на ДНК: GCH-ACA-TTT-TCG-CGT-AGT-AGA.
Отговор: в резултат на обратна транскрипция са синтезирани две вериги от ДНК молекулата: CHC - TGT - AAA - AGC - HCA - TCA и GCH - ACA - TTT - TCH - CHT - AGT - AGA.
Генетичен код. протеинова биосинтеза.
ген- участък от ДНК молекула, съдържащ генетична информация за първичната структура на един специфичен протеин.
Екзон-интронна структура на генеукариот
промотор- участък от ДНК (с дължина до 100 нуклеотида), към който се прикрепя ензимът РНК полимеразанеобходими за транскрипция;
2) регулаторна зона– зона, засягаща генната активност;
3) структурна част на ген- генетична информация за първичната структура на протеина.
Последователност от ДНК нуклеотиди, която носи генетична информация за първичната структура на протеина - екзон. Те също са част от иРНК. Последователност от ДНК нуклеотиди, която не носи генетична информация за първичната структура на протеин – интрон. Те не са част от иРНК. В хода на транскрипцията с помощта на специални ензими от иРНК се изрязват копия на интрони и се сливат копия на екзони по време на образуването на тРНК молекула (фиг. 20). Този процес се нарича снаждане.
Ориз. 20 . Схема на сплайсинг (образуване на зряла иРНК в еукариоти)
генетичен код -система от нуклеотидни последователности в ДНК молекула или иРНК, която съответства на последователността от аминокиселини в полипептидна верига.
Свойства на генетичния код:
Тройност(ACA – GTG – GCG…)
Генетичният код е тройка,тъй като всяка от 20-те аминокиселини е кодирана от последователност от три нуклеотида ( тройка, кодон).
Има 64 вида нуклеотидни триплети (4 3 = 64).
Недвусмисленост (специфичност)
Генетичният код е недвусмислен, т.к всеки отделен триплет от нуклеотиди (кодон) кодира само една аминокиселина или един кодон винаги съответства на една аминокиселина (таблица 3).
Множество (излишненост или израждане)
Една и съща аминокиселина може да бъде кодирана от няколко триплета (от 2 до 6), тъй като има 20 протеин-образуващи аминокиселини и 64 триплета.
Приемственост
Четенето на генетичната информация става в една посока, отляво надясно. Ако един нуклеотид изпадне, тогава при четенето му, най-близкият нуклеотид от съседния триплет ще заеме неговото място, което ще доведе до промяна в генетичната информация.
Универсалност
Генетичният код е характерен за всички живи организми и едни и същи триплети кодират една и съща аминокиселина във всички живи организми.
Има начални и крайни тризнаци(начална тройка - AUG, терминални триплети UAA, UGA, UAG). Тези видове триплети не кодират аминокиселини.
Неприпокриване (дискретност)
Генетичният код не се припокрива, тъй като един и същ нуклеотид не може едновременно да бъде част от два съседни триплета. Нуклеотидите могат да принадлежат само на един триплет и ако бъдат пренаредени в друг триплет, тогава генетичната информация ще се промени.
Таблица 3 - Таблица на генетичния код
|
Кодонови бази |
|||||
Забележка: Съкратените имена на аминокиселини са дадени в съответствие с международната терминология.
Биосинтеза на протеини
Биосинтеза на протеини - вид пластмасов обменвещества в клетката, възникващи в живите организми под действието на ензими. Биосинтезата на протеина се предшества от реакции на матриксния синтез (репликация - синтез на ДНК; транскрипция - синтез на РНК; транслация - сглобяване на протеинови молекули върху рибозоми). В процеса на биосинтеза на протеини се разграничават 2 етапа:
транскрипция
излъчване
По време на транскрипцията, генетичната информация, съдържаща се в ДНК, разположена в хромозомите на ядрото, се прехвърля към молекулата на РНК. След завършване на процеса на транскрипция, иРНК навлиза в цитоплазмата на клетката през пори в ядрената мембрана, намира се между 2 субединици на рибозомата и участва в биосинтеза на протеини.
Транслацията е процес на превеждане на генетичния код в последователност от аминокиселини.Транслацията се извършва в цитоплазмата на клетката върху рибозоми, които са разположени на повърхността на EPS (ендоплазмен ретикулум). Рибозомите са сферични гранули със среден диаметър 20 nm, състоящи се от големи и малки субединици. Молекулата на иРНК се намира между две субединици на рибозомата. В процеса на транслация участват аминокиселини, ATP, i-RNA, t-RNA, ензимът амино-ацил t-RNA синтетаза.
кодон- участък от ДНК молекула или i-RNA, състоящ се от три последователни нуклеотида, кодиращи една аминокиселина.
Антикодон- участък от молекулата t-RNA, състоящ се от три последователни нуклеотида и комплементарен на кодона на молекулата m-RNA. Кодоните са комплементарни на съответните антикодони и са свързани с тях чрез водородни връзки (фиг. 21).
Синтезът на протеин започва с стартов кодон AUG. От него рибозомата
се движи по протежение на молекулата на РНК, триплет по триплет. Аминокиселините идват от генетичния код. Интегрирането им в полипептидната верига на рибозомата става с помощта на tRNA. Първичната структура на tRNA (верига) преминава във вторичната структура, наподобяваща по форма кръст, като в същото време в нея се запазва комплементарността на нуклеотидите. В долната част на t-RNA има акцепторно място, към което е прикрепена аминокиселина (фиг. 16). Активирането на аминокиселините се извършва с помощта на ензим аминоацил тРНК синтетаза. Същността на този процес е, че този ензим взаимодейства с аминокиселини и с АТФ. В този случай се образува троен комплекс, представен от този ензим, аминокиселина и АТФ. Аминокиселината се обогатява с енергия, активира се, придобива способността да образува пептидни връзки със съседната аминокиселина. Без процеса на активиране на аминокиселини от аминокиселини не може да се образува полипептидна верига.
Обратната, горна част на молекулата tRNA съдържа триплет от нуклеотиди антикодон, с помощта на който t-RNA се прикрепя към своя комплементарен кодон (фиг. 22).
Първата молекула t-RNA, с активирана аминокиселина, прикрепена към нея, прикрепя своя антикодон към кодона на иРНК и една аминокиселина се появява в рибозомата. След това втората t-RNA е прикрепена със своя антикодон към съответния кодон на иРНК. В същото време в рибозомата вече има 2 аминокиселини, между които се образува пептидна връзка. Първата tRNA напуска рибозомата веднага щом дари аминокиселина на полипептидната верига на рибозомата. След това към дипептида се прикрепя 3-та аминокиселина, тя се довежда от третата t-RNA и т. н. Синтезът на протеин спира на един от крайните кодони – UAA, UAG, UGA (фиг. 23).
1 – mRNA кодон; кодониUCG-UCG; CUA-CUA; CGU-CGU;
2 – t-RNA антикодон; антикодон GAT - GAT
Ориз. 21 . Фаза на транслация: кодонът на тРНК е привлечен от тРНК антикодона от съответните комплементарни нуклеотиди (бази)
