Dom > Čula > Struktura molekule DNK. Promjena strukture DNK


Struktura molekule DNK. Promjena strukture DNK




Molekule nukleinske kiseline od svih vrsta živih organizama su dugo nerazgranati polimeri mononukleotida. Ulogu mosta između nukleotida obavlja 3",5"-fosfodiesterska veza koja povezuje 5"-fosfat jednog nukleotida i 3"-hidroksilni ostatak riboze (ili deoksiriboze) sljedećeg. U tom smislu, polinukleotidni lanac je polaran. Na jednom kraju ostaje slobodna 5"-fosfatna skupina, a na drugom kraju 3"-OH skupina.

DNK je poput proteina, ima primarnu, sekundarnu i tercijarnu strukturu.

Primarna struktura DNK . Ova struktura određuje informacije koje su u njoj kodirane, što predstavlja slijed izmjenjivanja deoksiribonukleotida u polinukleotidnom lancu.

Molekula DNK se sastoji od dvije spirale imaju istu os i suprotne smjerove. Šećerno-fosfatna okosnica nalazi se na periferiji dvostruke spirale, a dušične baze smještene su unutra. Kostur sadrži kovalentne fosfodiesterske veze, a obje zavojnice su spojene između baza vodikove veze i hidrofobne interakcije.

Te je veze prvi otkrio i proučio E. Chargaff 1945. godine i dobio ime princip komplementarnosti, a značajke stvaranja vodikovih veza između baza nazivaju se Chargaff pravila:

  • purinska baza uvijek se veže na pirimidinsku bazu: adenin - s timinom (A®T), gvanin - s citozinom (G®C);
  • molarni omjer adenina prema timinu i gvaninu prema citozinu je 1 (A=T, ili A/T=1 i G=C, ili G/C=1);
  • zbroj ostataka A i G jednak je zbroju ostataka T i C, t.j. A+G=T+C;
  • u DNK izoliranoj iz različitih izvora, omjer (G + C) / (A + T), nazvan koeficijent specifičnosti, nije isti.

Chargaffova pravila temelje se na činjenici da adenin tvori dvije veze s timinom, a gvanin tri veze s citozinom:

Na temelju Chargaffovih pravila može se zamisliti dvolančana struktura DNK koja je prikazana na slici.

A-oblik B-oblik

A-adenin, G-gvanin, C-citozin, T-timin

Shematski prikaz dvostruke spirale

molekule DNK

Sekundarna struktura DNK . U skladu s modelom koji su 1953. predložili J. Watson i F. Crick, sekundarna struktura DNK je dvolančana desna spirala od međusobno komplementarnih antiparalelnih polinukleotidnih lanaca.

Za sekundarnu strukturu DNK odlučujuće su dvije strukturne značajke dušičnih baza nukleotida. Prvi je prisutnost skupina sposobnih za stvaranje vodikovih veza. Druga značajka je da su parovi komplementarnih baza A-T i G-C isti ne samo po veličini, već i po obliku.

Zbog sposobnosti nukleotida da se uparuju, nastaje kruta, dobro stabilizirana dvolančana struktura. Glavni elementi i parametarske karakteristike takve strukture jasno su prikazani na slici.

Temeljem temeljite analize rendgenskih uzoraka izolirane DNA, ustanovljeno je da dvostruka spirala DNK može postojati u nekoliko oblika (A, B, C, Z, itd.). Ovi oblici DNK razlikuju se po promjeru i nagibu zavojnice, broju parova baza po svitku i kutu nagiba bazne ravnine u odnosu na os molekule.


Tercijarna struktura DNK. U svim živim organizmima, dvolančane molekule DNA su čvrsto zbijene i nastaju složene trodimenzionalne strukture. Dvolančani DNK prokariota, koji ima kružni kovalentno zatvoreni oblik, oblik lijevo (-) superzavojnice. Tercijarna struktura DNK eukariotskih stanica također se formira supersvijanjem, ali ne od slobodne DNA, nego od njezinih kompleksa s proteinima kromosoma (histonski proteini klasa H1, H2, H3, H4 i H5).


U prostornoj organizaciji kromosoma može se razlikovati nekoliko razina. Prva razina- nukleosom. Kao rezultat nukleosomske organizacije kromatina, dvostruka spirala DNA promjera 2 nm poprima promjer od 10-11 nm i skraćuje se za oko 7 puta.

Druga razina Prostorna organizacija kromosoma je stvaranje kromatinske fibrile promjera 20-30 nm od nukleosomskog filamenta (smanjenje linearnih dimenzija DNA za još 6-7 puta).

Tercijarna razina Organizacija kromosoma je posljedica polaganja kromatinske fibrile u petlje. Nehistonski proteini sudjeluju u stvaranju petlji. Dio DNK koji odgovara jednoj petlji sadrži od 20 000 do 80 000 parova baza. Kao rezultat takvog pakiranja, linearne dimenzije DNK se smanjuju za oko 200 puta. Organizacija domene u obliku petlje, nazvana interfazni kromonema, može doživjeti daljnje zbijanje, čiji stupanj varira ovisno o fazi staničnog ciklusa.

Desno je najveća ljudska DNK spirala izgrađena od ljudi na plaži u Varni (Bugarska), koja je uvrštena u Guinnessovu knjigu rekorda 23. travnja 2016.

Deoksiribonukleinska kiselina. Opće informacije

DNK (deoksiribonukleinska kiselina) je svojevrsni nacrt života, složeni kod koji sadrži podatke o nasljednim informacijama. Ova složena makromolekula sposobna je pohranjivati ​​i prenositi nasljedne genetske informacije s generacije na generaciju. DNK određuje svojstva bilo kojeg živog organizma kao što su nasljednost i varijabilnost. Informacije koje su u njemu kodirane određuju cijeli program razvoja bilo kojeg živog organizma. Genetski ugrađeni čimbenici predodređuju cijeli tijek života kako osobe tako i bilo kojeg drugog organizma. Umjetni ili prirodni utjecaj vanjskog okruženja može samo neznatno utjecati na ukupnu težinu pojedinih genetskih osobina ili utjecati na razvoj programiranih procesa.

Deoksiribonukleinska kiselina(DNA) je makromolekula (jedna od tri glavne, druge dvije su RNA i proteini), koja osigurava pohranu, prijenos s generacije na generaciju i provedbu genetskog programa za razvoj i funkcioniranje živih organizama. DNK sadrži informacije o strukturi različitih vrsta RNA i proteina.

U eukariotskim stanicama (životinje, biljke i gljive) DNK se nalazi u staničnoj jezgri kao dio kromosoma, kao i u nekim staničnim organelama (mitohondriji i plastidi). U stanicama prokariotskih organizama (bakterija i arheja) kružna ili linearna molekula DNA, tzv. nukleoid, pričvršćena je iznutra na staničnu membranu. Oni i niži eukarioti (na primjer, kvasac) također imaju male autonomne, uglavnom kružne molekule DNA koje se nazivaju plazmidi.

S kemijskog gledišta, DNK je duga polimerna molekula koja se sastoji od blokova koji se ponavljaju – nukleotida. Svaki nukleotid se sastoji od dušične baze, šećera (deoksiriboze) i fosfatne skupine. Veze između nukleotida u lancu formiraju deoksiriboza ( IZ) i fosfat ( F) skupine (fosfodiesterske veze).


Riža. 2. Nuklertid se sastoji od dušične baze, šećera (deoksiriboze) i fosfatne skupine

U velikoj većini slučajeva (osim nekih virusa koji sadrže jednolančanu DNK), makromolekula DNA sastoji se od dva lanca međusobno orijentirana dušičnim bazama. Ova dvolančana molekula je uvijena u spiralu.

Postoje četiri vrste dušičnih baza koje se nalaze u DNK (adenin, gvanin, timin i citozin). Dušične baze jednog od lanaca povezane su s dušičnim bazama drugog lanca vodikovim vezama prema principu komplementarnosti: adenin se spaja samo s timinom ( NA), gvanin - samo s citozinom ( G-C). Upravo ti parovi čine "prečke" spiralne "ljestve" DNK (vidi: slike 2, 3 i 4).


Riža. 2. Dušične baze

Slijed nukleotida omogućuje vam "kodiranje" informacija o različitim vrstama RNA, od kojih su najvažnije informacije ili šablona (mRNA), ribosomalna (rRNA) i transportna (tRNA). Sve ove vrste RNA sintetiziraju se na DNA šabloni kopiranjem sekvence DNA u sekvencu RNA koja se sintetizira tijekom transkripcije i sudjeluju u biosintezi proteina (procesu prevođenja). Osim kodirajućih sekvenci, stanična DNK sadrži sekvence koje obavljaju regulatorne i strukturne funkcije.


Riža. 3. Replikacija DNK

Položaj osnovnih kombinacija kemijskih spojeva DNK i kvantitativni omjeri između tih kombinacija omogućuju kodiranje nasljednih informacija.

Obrazovanje nova DNK (replikacija)

  1. Proces replikacije: odmotavanje dvostruke spirale DNA - sinteza komplementarnih lanaca DNA polimerazom - stvaranje dvije molekule DNA iz jedne.
  2. Dvostruka spirala se "rastvara" u dvije grane kada enzimi razbiju vezu između parova baza kemijskih spojeva.
  3. Svaka grana je novi element DNK. Novi parovi baza povezuju se istim redoslijedom kao u roditeljskoj grani.

Po završetku umnožavanja formiraju se dvije neovisne spirale, stvorene od kemijskih spojeva roditeljske DNK i koje imaju isti genetski kod s njim. Na taj način, DNK je u stanju parati informacije od stanice do stanice.

Detaljnije informacije:

STRUKTURA NUKLEINSKIH KISELINE


Riža. četiri . Dušične baze: adenin, gvanin, citozin, timin

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

NUKLEOTIDI Sastoji se od dušična baza, povezan s ugljikohidratom s pet ugljika (pentozom) - deoksiriboza(u slučaju DNK) ili riboza(u slučaju RNA), koji se spaja s ostatkom fosforne kiseline (H 2 PO 3 -).

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


Riža. Slika 5. Struktura nukleotida (lijevo), položaj nukleotida u DNK (dolje) i vrste dušičnih baza (desno): pirimidin i purin


Atomi ugljika u molekuli pentoze označeni su brojevima od 1 do 5. Fosfat se spaja s trećim i petim atomom ugljika. Ovako se nukleinske kiseline povezuju kako bi tvorile lanac nukleinskih kiselina. Dakle, možemo izolirati 3' i 5' krajeve DNK lanca:


Riža. 6. Izolacija 3' i 5' kraja lanca DNA

Nastaju dva lanca DNK dvostruka spirala. Ovi lanci u spirali su orijentirani u suprotnim smjerovima. U različitim lancima DNK, dušične baze su međusobno povezane pomoću vodikove veze. Adenin se uvijek kombinira s timinom, a citozin se uvijek kombinira s gvaninom. To se zove pravilo komplementarnosti.

Pravilo komplementarnosti:

A-T G-C

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

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

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

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.


Riža. 7. Smjer lanaca molekule DNA i veza dušičnih baza pomoću vodikovih veza

REPLIKACIJA DNK

DNK replikacija je proces udvostručavanja molekule DNK sintezom šablona. U većini slučajeva prirodna replikacija DNKtemeljni premazza sintezu DNK je kratki isječak (ponovno stvoreno). Takav ribonukleotidni primer stvara enzim primaza (DNA primaza kod prokariota, DNA polimeraza u eukariota), a zatim ga zamjenjuje deoksiribonukleotidna polimeraza, koja normalno obavlja funkcije popravka (ispravlja kemijska oštećenja i lomove u molekuli DNA).

Replikacija se događa na polukonzervativan način. To znači da se dvostruka spirala DNK odmotava i na svakom njezinom lancu dovršava se novi lanac prema principu komplementarnosti. Molekula DNK kćeri tako sadrži jedan lanac iz matične molekule i jedan novosintetizirani. Replikacija se događa u smjeru od 3' do 5' roditeljskog lanca.

Riža. 8. Replikacija (udvostručavanje) molekule DNA

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

1) DNA topoizomeraza, smještena ispred replikacijske vilice, reže DNK kako bi olakšala njezino odmotavanje i odmotavanje.
2) DNA helikaza, nakon topoizomeraze, utječe na proces "odmotavanja" spirale DNK.
3) Proteini koji vežu DNA provode vezanje lanaca DNA, a također provode njihovu stabilizaciju, sprječavajući da se međusobno lijepe.
4) DNA polimeraza δ(delta) , usklađen sa brzinom kretanja replikacijske vilice, izvodi sintezuvodećilanci podružnica DNK u smjeru 5" → 3" na matrici majčinski niti DNK u smjeru od njegovog kraja od 3" do kraja od 5" (brzina do 100 parova baza u sekundi). Ovi događaji o ovome majčinski niti su DNK ograničene.



Riža. 9. Shematski prikaz procesa replikacije DNK: (1) Zaostali lanac (lag lanac), (2) Vodeći lanac (leading lanac), (3) DNA polimeraza α (Polα), (4) DNA ligaza, (5) RNA -primer, (6) primaza, (7) Okazaki fragment, (8) DNA polimeraza δ (Polδ ), (9) helikaza, (10) jednolančani DNA-vezujući proteini, (11) topoizomeraza.

Sinteza zaostale kćeri DNK lanca opisana je u nastavku (vidi dolje). shema replikacijska vilica i funkcija replikacijskih enzima)

Za više informacija o replikaciji DNK, vidi

5) Odmah nakon odmotavanja i stabilizacije drugog lanca roditeljske molekule, on se spajaDNA polimeraza α(alfa)a u smjeru 5 "→3" sintetizira početnik (RNA primer) - RNA slijed na DNA šablonu duljine od 10 do 200 nukleotida. Nakon toga, enzimuklonjen iz DNK lanca.

Umjesto DNA polimerazaα pričvršćen na 3" kraj temeljnog premaza DNA polimerazaε .

6) DNA polimerazaε (epsilon) kao da nastavlja produžiti temeljni premaz, ali kao podloga ugrađujedeoksiribonukleotidi(u količini od 150-200 nukleotida). Rezultat je čvrsta nit od dva dijela -RNA(tj. temeljni premaz) i DNK. DNA polimeraza εradi sve dok ne naiđe na temelj prethodnogulomak Okazaki(sintetiziran malo ranije). Ovaj enzim se zatim uklanja iz lanca.

7) DNA polimeraza β(beta) stoji umjestoDNA polimeraze ε,kreće se u istom smjeru (5" → 3") i uklanja temeljne ribonukleotide dok na njihovo mjesto ubacuje deoksiribonukleotide. Enzim djeluje do potpunog uklanjanja temeljnog premaza, t.j. sve do deoksiribonukleotida (još više prethodno sintetiziranogDNA polimeraza ε). Enzim nije u stanju povezati rezultat svog rada i DNK ispred, pa napušta lanac.

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

8) DNA ligaza ligira dva susjedna ulomci Okazaki , tj. 5 "-kraj segmenta, sintetiziranoDNA polimeraza ε,i 3" kraj lanca ugrađenDNA polimerazaβ .

STRUKTURA RNA

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

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

Slijed nukleotida omogućuje RNA da kodira genetske informacije. Svi stanični organizmi koriste RNA (mRNA) za programiranje sinteze proteina.

Stanične RNA nastaju u procesu tzv transkripcija , odnosno sinteza RNA na DNK predlošku, koju provode posebni enzimi - RNA polimeraze.

Glasničke RNA (mRNA) tada sudjeluju u procesu tzv emitiranje, oni. sinteza proteina na šabloni mRNA uz sudjelovanje ribosoma. Ostale RNA nakon transkripcije prolaze kemijske modifikacije, a nakon formiranja sekundarnih i tercijarnih struktura obavljaju funkcije koje ovise o vrsti RNA.

Riža. 10. Razlika između DNA i RNA u smislu dušične baze: umjesto timina (T), RNA sadrži uracil (U), koji je također komplementaran adeninu.

TRANSKRIPCIJA

Ovo je proces sinteze RNA na DNK šablonu. DNK se odvija na jednom od mjesta. Jedan od lanaca sadrži informaciju koju je potrebno kopirati na molekulu RNA – taj se lanac naziva kodiranjem. Drugi lanac DNA, koji je komplementaran kodirajućem lancu, naziva se šablonski lanac. U procesu transkripcije na lancu šablona u smjeru 3'-5' (duž lanca DNA) sintetizira se njemu komplementaran RNA lanac. Tako se stvara RNA kopija kodirajućeg lanca.

Riža. 11. Shematski prikaz transkripcije

Na primjer, ako nam je zadan slijed kodirajućeg niza

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

tada će, prema pravilu komplementarnosti, matrični lanac nositi slijed

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

a iz njega sintetizirana RNA je slijed

Emitiranje

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

Riža. 12. Proces sinteze proteina: DNA kodovi za RNA, RNA kodovi za protein

GENETSKI KOD

Genetski kod- metoda kodiranja aminokiselinskog slijeda proteina korištenjem slijeda nukleotida. Svaka aminokiselina je kodirana slijedom od tri nukleotida – kodonom ili tripletom.

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

Tablica 1. Standardni genetski kod

1
temelj

nije

2. baza

3
temelj

nije

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

Stop kodon**

U G A

Stop kodon**

A

U U G

U C G

U A G

Stop kodon**

U G G

(Trp/W)

G

C

C U U

C C U

(Pro/P)

C A U

(Njegov/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)

CGA

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

(Ljepilo)

G G A

A

G U G

G C G

G A G

G G G

G

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

  • *Trojka KOLOVOZ, koji također kodira metionin, tzv početni kodon. Ovaj kodon započinje sintezu proteinske molekule. Dakle, tijekom sinteze proteina, prva aminokiselina u slijedu uvijek će biti metionin.
  • **Trojke UAA, UAG i UGA pozvao zaustavni kodoni i ne kodiraju nikakve aminokiseline. Na tim sekvencama sinteza proteina prestaje.

Svojstva genetskog koda

1. Trojstvo. Svaka aminokiselina je kodirana slijedom od tri nukleotida – tripletom ili kodonom.

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

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

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

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

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

Primjer. Dobili smo slijed kodnog niza:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Matrični lanac imat će slijed:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Sada "sintetiziramo" informacijsku RNA iz ovog lanca:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Sinteza proteina ide u smjeru 5' → 3', stoga moramo preokrenuti sekvencu kako bismo "pročitali" genetski kod:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Sada pronađite početni kodon AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Podijelite slijed na trojke:

zvuči ovako: informacija iz DNK se prenosi na RNA (transkripcija), s RNA na protein (translacija). DNK se također može duplicirati replikacijom, a moguć je i proces reverzne transkripcije, kada se DNA sintetizira iz RNA šablona, ​​no takav je proces uglavnom karakterističan za viruse.


Riža. 13. Središnja dogma molekularne biologije

GENOM: GENI I KROMOSOMI

(opći pojmovi)

Genom - ukupnost svih gena organizma; njegov kompletan kromosomski set.

Termin "genom" predložio je G. Winkler 1920. godine kako bi opisao ukupnost gena sadržanih u haploidnom skupu kromosoma organizama iste biološke vrste. Izvorno značenje ovog pojma ukazuje da je pojam genoma, za razliku od genotipa, genetska karakteristika vrste u cjelini, a ne pojedinca. S razvojem molekularne genetike, značenje ovog pojma se promijenilo. Poznato je da DNK, koja je nositelj genetskih informacija u većini organizama i stoga čini osnovu genoma, ne uključuje samo gene u modernom smislu riječi. Većina DNK eukariotskih stanica predstavljena je nekodirajućim (“redundantnim”) nukleotidnim sekvencama koje ne sadrže informacije o proteinima i nukleinskim kiselinama. Dakle, glavni dio genoma bilo kojeg organizma je cijela DNK njegovog haploidnog skupa kromosoma.

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

Tijekom prošlog stoljeća, naše razumijevanje gena značajno se promijenilo. Prije je genom bio dio kromosoma koji kodira ili određuje jednu osobinu ili fenotipski(vidljivo) svojstvo, kao što je boja očiju.

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

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

Moderna biokemijska definicija gena još konkretnije. Geni su svi dijelovi DNK koji kodiraju primarni slijed krajnjih proizvoda, koji uključuju polipeptide ili RNA koji imaju strukturnu ili katalitičku funkciju.

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

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

Koliko gena ima na jednom kromosomu?


Riža. 15. Prikaz kromosoma u prokariotskim (lijevo) i eukariotskim stanicama. Histoni su široka klasa nuklearnih proteina koji obavljaju dvije glavne funkcije: uključeni su u pakiranje lanaca DNA u jezgri i u epigenetsku regulaciju nuklearnih procesa kao što su transkripcija, replikacija i popravak.

Kao što znate, bakterijske stanice imaju kromosom u obliku lanca DNK, upakiran u kompaktnu strukturu - nukleoid. prokariotski kromosom Escherichia coli, čiji je genom potpuno dekodiran, kružna je molekula DNK (zapravo, ovo nije pravilan krug, već petlja bez početka i kraja), koja se sastoji od 4,639,675 bp. Ova sekvenca sadrži približno 4300 proteinskih gena i još 157 gena za stabilne RNA molekule. NA ljudski genom približno 3,1 milijarda parova baza što odgovara gotovo 29 000 gena smještenih na 24 različita kromosoma.

Prokarioti (bakterije).

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

Većina plazmida sastoji se od samo nekoliko tisuća parova baza, neki sadrže više od 10 000 bp. Oni nose genetske informacije i repliciraju se u obliku plazmida kćeri, koji ulaze u stanice kćeri tijekom diobe matične stanice. Plazmidi se nalaze ne samo u bakterijama, već iu kvascima i drugim gljivama. U mnogim slučajevima plazmidi ne pružaju nikakvu prednost stanicama domaćinima i njihov je jedini zadatak da se razmnožavaju neovisno. Međutim, neki plazmidi nose gene korisne za domaćina. Na primjer, geni sadržani u plazmidima mogu dati otpornost na antibakterijske agense u bakterijskim stanicama. Plazmidi koji nose gen β-laktamaze daju otpornost na β-laktamske antibiotike kao što su penicilin i amoksicilin. Plazmidi mogu prijeći iz stanica otpornih na antibiotike u druge stanice iste ili različite bakterijske vrste, uzrokujući da te stanice također postanu rezistentne. Intenzivna uporaba antibiotika snažan je selektivni čimbenik koji potiče širenje plazmida koji kodiraju rezistenciju na antibiotike (kao i transposona koji kodiraju slične gene) među patogenim bakterijama, te dovodi do pojave bakterijskih sojeva otpornih na nekoliko antibiotika. Liječnici počinju shvaćati opasnosti široke upotrebe antibiotika i propisuju ih samo kada je to apsolutno neophodno. Iz sličnih razloga, široka uporaba antibiotika za liječenje domaćih životinja je ograničena.

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

eukarioti.

Tablica 2. DNK, geni i kromosomi nekih organizama

zajednički DNK,

b.s.

Broj kromosoma*

Približan broj gena

Escherichia coli(bakterija)

4 639 675

4 435

Saccharomyces cerevisiae(kvasac)

12 080 000

16**

5 860

Caenorhabditis elegans(nematoda)

90 269 800

12***

23 000

Arabidopsis thaliana(biljka)

119 186 200

33 000

Drosophila melanogaster(voćna mušica)

120 367 260

20 000

Oryza sativa(riža)

480 000 000

57 000

Mus mišić(miš)

2 634 266 500

27 000

Homo sapiens(ljudski)

3 070 128 600

29 000

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

* Za sve eukariote, osim kvasca, dan je diploidni skup kromosoma. diploidna komplet kromosomi (od grčkog diploos - dvostruki i eidos - pogled) - dvostruki skup kromosoma (2n), od kojih svaki ima homologni.
**Haploidni set. Divlji sojevi kvasca obično imaju osam (oktaploidnih) ili više skupova ovih kromosoma.
***Za žene s dva X kromosoma. Muškarci imaju X kromosom, ali nemaju Y, tj. samo 11 kromosoma.

Stanica kvasca, jedan od najmanjih eukariota, ima 2,6 puta više DNK od stanice E coli(Tablica 2). stanice voćne mušice Drosophila, klasični predmet genetskog istraživanja, sadrži 35 puta više DNK, a ljudske stanice sadrže oko 700 puta više DNK od stanica E coli. Mnoge biljke i vodozemci sadrže još više DNK. Genetski materijal eukariotskih stanica organiziran je u obliku kromosoma. Diploidni skup kromosoma (2 n) ovisi o vrsti organizma (tablica 2).

Na primjer, u ljudskoj somatskoj stanici postoji 46 kromosoma ( riža. 17). Svaki kromosom u eukariotskoj stanici, kao što je prikazano na sl. 17, a, sadrži jednu vrlo veliku dvolančanu molekulu DNA. Dvadeset četiri ljudska kromosoma (22 uparena kromosoma i dva spolna kromosoma X i Y) razlikuju se po duljini više od 25 puta. Svaki eukariotski kromosom sadrži specifičan skup gena.


Riža. 17. eukariotskih kromosoma.a- par spojenih i kondenziranih sestrinskih kromatida iz ljudskog kromosoma. U ovom obliku, eukariotski kromosomi ostaju nakon replikacije i u metafazi tijekom mitoze. b- kompletan set kromosoma iz leukocita jednog od autora knjige. Svaka normalna ljudska somatska stanica sadrži 46 kromosoma.

Spojite li molekule DNK ljudskog genoma (22 kromosoma i kromosoma X i Y ili X i X) jedna s drugom, dobit ćete slijed dug oko jedan metar. Napomena: kod svih sisavaca i drugih heterogametnih muških organizama, ženke imaju dva X kromosoma (XX), a mužjaci jedan X kromosom i jedan Y kromosom (XY).

Većina ljudskih stanica, pa je ukupna duljina DNK takvih stanica oko 2m. Odrasli čovjek ima oko 10 14 stanica, pa je ukupna duljina svih molekula DNK 2・10 11 km. Za usporedbu, opseg Zemlje je 4・10 4 km, a udaljenost od Zemlje do Sunca je 1,5・10 8 km. Tako je nevjerojatno kompaktno upakirana DNK u našim stanicama!

U eukariotskim stanicama postoje i druge organele koje sadrže DNK - to su mitohondriji i kloroplasti. Iznesene su mnoge hipoteze o podrijetlu mitohondrijske i kloroplastne DNK. Danas je općeprihvaćeno gledište da su oni rudimenti kromosoma drevnih bakterija koje su prodrle u citoplazmu stanica domaćina i postale preteče ovih organela. Mitohondrijska DNK kodira mitohondrijsku tRNA i rRNA, kao i nekoliko mitohondrijalnih proteina. Više od 95% mitohondrijskih proteina je kodirano nuklearnom DNK.

STRUKTURA GENA

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

kodiranje sekvence- glavna strukturna i funkcionalna jedinica gena, u njoj se nalaze tripleti nukleotida koji kodirajuslijed aminokiselina. Počinje početnim kodonom i završava stop kodonom.

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

Neprevedene i kodirajuće sekvence čine jedinicu transkripcije – transkribirano područje DNA, odnosno DNK regiju iz koje se sintetizira mRNA.

Terminator Netranskribirana regija DNK na kraju gena gdje se zaustavlja sinteza RNA.

Na početku gena je regulacijsko područje, koje uključuje promotor i operater.

promotor- sekvenca s kojom se polimeraza veže tijekom inicijacije transkripcije. Operater- ovo je područje na koje se mogu vezati posebni proteini - represori, što može smanjiti aktivnost sinteze RNA iz ovog gena – drugim riječima, smanjiti je izraz.

Struktura gena u prokariota

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

Riža. 18. Shema strukture gena u prokariota (bakterija) -slika je uvećana

Na početku i na kraju operona postoje zajedničke regulatorne regije za nekoliko strukturnih gena. Iz transkribirane regije operona očitava se jedna molekula mRNA koja sadrži nekoliko kodirajućih sekvenci, od kojih svaka ima svoj startni i stop kodon. Iz svakog od ovih područjasintetizira se jedan protein. Na ovaj način, Iz jedne i-RNA molekule sintetizira se nekoliko proteinskih molekula.

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

Ovaj fenomen karakterizira i prokariote transkripcija i translacija konjugacija.


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

Ovo uparivanje se ne događa kod eukariota zbog prisutnosti nuklearne ovojnice koja odvaja citoplazmu, gdje se događa translacija, od genetskog materijala na kojem se događa transkripcija. Kod prokariota, tijekom sinteze RNA na DNA šabloni, ribosom se može odmah vezati za sintetiziranu molekulu RNA. Dakle, prijevod počinje čak i prije nego što je transkripcija završena. Štoviše, nekoliko ribosoma može se istovremeno vezati na jednu RNA molekulu, sintetizirajući nekoliko molekula jednog proteina odjednom.

Struktura gena u eukariota

Geni i kromosomi eukariota vrlo su složeno organizirani.

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

Strukturna i funkcionalna organizacija eukariotskih gena mnogo je složenija. Proučavanje eukariotskih kromosoma, a kasnije i sekvenciranje kompletnih sekvenci eukariotskog genoma, donijelo je mnoga iznenađenja. Mnogi, ako ne i većina, eukariotski geni imaju zanimljivu značajku: njihove nukleotidne sekvence sadrže jednu ili više DNA regija koje ne kodiraju aminokiselinsku sekvencu polipeptidnog proizvoda. Takvi neprevedeni umetci narušavaju izravnu korespondenciju između nukleotidnog slijeda gena i aminokiselinskog slijeda kodiranog polipeptida. Ovi neprevedeni segmenti u genima nazivaju se introni, ili ugrađeni sekvence, a segmenti kodiranja su egzoni. U prokariota samo nekoliko gena sadrži introne.

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

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

Riža. 16. Shema strukture gena kod eukariota - slika je uvećana

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

Nakon toga dolazi do procesa spajanja, uslijed čega se intronske regije izrezuju i formira se zrela mRNA iz koje se može sintetizirati protein.


Riža. 20. Alternativni postupak spajanja - slika je uvećana

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

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

MUTACIJE I MUTAGENEZA

mutacija naziva se trajna promjena genotipa, odnosno promjena nukleotidnog slijeda.

Proces koji dovodi do mutacije tzv mutageneza, i organizam svičije stanice nose istu mutaciju mutantni.

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

1. Mutacije se javljaju iznenada, naglo.

2. Mutacije se prenose s koljena na koljeno.

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

4. Vjerojatnost otkrivanja mutacija ovisi o broju proučavanih pojedinaca.

5. Slične mutacije mogu se ponavljati.

6. Mutacije nisu usmjerene.

Mutacije se mogu pojaviti pod utjecajem različitih čimbenika. Razlikovati mutacije uzrokovane mutageno utjecaji: fizikalni (npr. ultraljubičasto ili zračenje), kemijski (npr. kolhicin ili reaktivne kisikove vrste) i biološki (npr. virusi). Mutacije također mogu biti uzrokovane greške u replikaciji.

Ovisno o uvjetima za pojavu mutacija se dijele na spontano- odnosno mutacije koje su nastale u normalnim uvjetima, i inducirano- odnosno mutacije koje su nastale pod posebnim uvjetima.

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

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

Mutacije se razlikuju po učinku prilagodljivašto dovodi do povećanja prilagodljivosti organizma na okoliš, neutralan koji ne utječu na preživljavanje štetno koji smanjuju prilagodljivost organizama uvjetima okoline i smrtonosanšto dovodi do smrti organizma u ranim fazama razvoja.

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

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

Mutacije mogu utjecati na dijelove genoma različitih veličina. Dodijeliti genetski, kromosomski i genomski mutacije.

Genske mutacije

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


Riža. 23. Genske (točkaste) mutacije

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


Riža. 24. Mutacijske sheme

Također, prema mehanizmu djelovanja na protein izolirane su mutacije koje dovode do pomak okvira čitanja kao što su umetanja i brisanja. Takve mutacije, poput besmislica, iako se javljaju u jednom trenutku gena, često utječu na cjelokupnu strukturu proteina, što može dovesti do potpune promjene njegove strukture.

Riža. 29. Kromosom prije i poslije duplikacije

Genomske mutacije

Konačno, genomske mutacije utječu na cijeli genom, odnosno na promjenu broja kromosoma. Razlikuje se poliploidija - povećanje ploidnosti stanice i aneuploidija, odnosno promjena broja kromosoma, na primjer, trisomija (prisutnost dodatnog homologa u jednom od kromosoma) i monosomija (odsutnost homolog u kromosomu).

Video vezan uz DNK

REPLIKACIJA DNA, RNA KODIRANJE, SINTEZA PROTEINA

Prema kemijskoj strukturi DNK ( Deoksiribonukleinska kiselina) je biopolimer, čiji su monomeri nukleotidi. Odnosno, DNK je polinukleotid. Štoviše, molekula DNK obično se sastoji od dva lanca međusobno uvijena duž zavojne linije (često se nazivaju "spiralno uvijena") i međusobno povezana vodikovim vezama.

Lanci se mogu uvijati i na lijevu i na desnu (najčešće) stranu.

Neki virusi imaju jednolančanu DNK.

Svaki nukleotid DNA sastoji se od 1) dušične baze, 2) deoksiriboze, 3) ostatka fosforne kiseline.

Dvostruka desna spirala DNK

DNK sadrži sljedeće: adenin, gvanin, timina i citozin. Adenin i gvanin su purina, a timin i citozin - do pirimidinima. Ponekad DNK sadrži uracil, koji je obično karakterističan za RNA, gdje zamjenjuje timin.

Dušične baze jednog lanca molekule DNA povezane su s dušičnim bazama drugog striktno prema principu komplementarnosti: adenin samo s timinom (među sobom tvore dvije vodikove veze), a gvanin samo s citozinom (tri veze).

Dušična baza u samom nukleotidu povezana je s prvim atomom ugljika cikličkog oblika deoksiriboza, što je pentoza (ugljikohidrat s pet ugljikovih atoma). Veza je kovalentna, glikozidna (C-N). Za razliku od riboze, deoksiribozi nedostaje jedna od svojih hidroksilnih skupina. Prsten deoksiriboze tvore četiri atoma ugljika i jedan atom kisika. Peti atom ugljika je izvan prstena i povezan je preko atoma kisika s ostatkom fosforne kiseline. Također, preko atoma kisika na trećem atomu ugljika, vezan je ostatak fosforne kiseline susjednog nukleotida.

Dakle, u jednom lancu DNK susjedni nukleotidi su povezani kovalentnim vezama između deoksiriboze i fosforne kiseline (fosfodiesterska veza). Formira se fosfatno-deoksiriboza okosnica. Okomito na njega, prema drugom lancu DNK, usmjerene su dušične baze koje su vodikovim vezama povezane s bazama drugog lanca.

Struktura DNK je takva da su okosnice lanaca povezanih vodikovim vezama usmjerene u različitim smjerovima (kažu "višesmjerno", "antiparalelno"). Na strani gdje jedna završava fosfornom kiselinom povezanom s petim atomom ugljika deoksiriboze, druga završava "slobodnim" trećim atomom ugljika. To jest, kostur jednog lanca je okrenut naopako, takoreći, u odnosu na drugi. Dakle, u strukturi DNK lanaca razlikuje se 5 "krajeva i 3" kraja.

Kod replikacije (udvostručavanja) DNK, sinteza novih lanaca uvijek teče od njihovog 5. kraja do trećeg, budući da se novi nukleotidi mogu vezati samo na slobodni treći kraj.

U konačnici (posredno putem RNA), svaka tri uzastopna nukleotida u lancu DNA kodiraju jednu aminokiselinu proteina.

Do otkrića strukture molekule DNA došlo je 1953. zahvaljujući radu F. Cricka i D. Watsona (što je također olakšano ranim radom drugih znanstvenika). Iako je DNK bio poznat kao kemijska tvar u 19. stoljeću. U 1940-ima postalo je jasno da je DNK nositelj genetske informacije.

Dvostruka spirala se smatra sekundarnom strukturom molekule DNK. U eukariotskim stanicama velika većina DNK nalazi se u kromosomima, gdje je povezana s proteinima i drugim tvarima, a također prolazi i gušće pakiranje.

Samoreprodukcija genetskog materijala. Replikacija.

Principi bilježenja genetskih informacija. Genetski kod i njegova svojstva.

Genetski kod- metoda svojstvena svim živim organizmima za kodiranje aminokiselinskog slijeda proteina pomoću slijeda nukleotida. U prirodi se koristi 20 različitih aminokiselina za izgradnju proteina. Svaki protein je lanac ili nekoliko lanaca u strogo definiranom slijedu. Ovaj slijed određuje strukturu proteina, a time i njegova svojstva. Skup aminokiselina je univerzalan za gotovo sve žive organizme.

Svojstva gena. kodirati:

Trojnost - kombinacija 3 nukleotida

Kontinuitet - između trojki nema interpunkcijskih znakova, t.j. informacije se neprestano čitaju

Nepreklapanje - isti nukleotid ne može biti dio više tripleta u isto vrijeme

Specifičnost – određeni kodon odgovara samo 1 aminokiselini

Degeneracija - više od jednog kodona može odgovarati istoj aminokiselini

Univerzalnost – genetski kod djeluje isto u organizmima različite razine složenosti

Otpornost na buku

U procesu replikacije genetskog materijala prekidaju se vodikove veze između dušičnih baza, a iz dvostruke spirale nastaju dva lanca DNK. Svaki od njih postaje predložak za sintezu drugog komplementarnog lanca DNK. Potonji je, kroz vodikovu vezu, povezan s matričnom DNK. Dakle, svaka kćerka molekula DNK sastoji se od jednog starog i jednog novog polinukleotidnog lanca. Kao rezultat toga, stanice kćeri primaju iste genetske informacije kao i roditeljske stanice. Održavanje takve situacije osigurava mehanizam samokorekcije koju provodi DNA polimeraza. Sposobnost genetskog materijala, DNK, da se samoreproducira (replicira) u osnovi je reprodukcije živih organizama, prijenosa nasljednih svojstava s generacije na generaciju i razvoja višestaničnog organizma iz zigota.

Nekorigirane promjene u kemijskoj strukturi gena, koje se reproduciraju u uzastopnim ciklusima replikacije i očituju u potomstvu u obliku novih varijanti osobina, nazivaju se mutacije gena.

Promjene u strukturi DNK mogu se podijeliti u 3 skupine: 1. Zamjena jednih baza drugim.

2. pomak okvira čitanja s promjenom broja nukleotidnih parova u genu.

3. promjena redoslijeda nukleotidnih sekvenci unutar gena.

1. Zamjena nekih baza s drugima. Može se pojaviti slučajno ili pod utjecajem određenih kemijskih sredstava. Ako promijenjeni oblik baze ostane neprimijećen tijekom popravka, tada tijekom sljedećeg ciklusa replikacije može na sebe pričvrstiti još jedan nukleotid.



Drugi razlog može biti pogrešno uključivanje u sintetizirani lanac DNA nukleotida koji nosi modificirani oblik baze ili njezinog analoga. Ako se ova pogreška tijekom popravke ne primijeti, tada se promijenjena baza uključuje u proces replikacije, što dovodi do zamjene jednog para drugim.

Kao rezultat, u DNK nastaje novi triplet. Ako ovaj triplet kodira istu aminokiselinu, tada promjene neće utjecati na strukturu peptida (degeneracija genetskog koda). Ako novonastali triplet kodira drugu aminokiselinu, mijenja se struktura peptidnog lanca i svojstva proteina.

2. pomak okvira za čitanje. Ove mutacije nastaju zbog gubitka (delecije) ili umetanja jednog ili više parova komplementarnih nukleotida u nukleotidni slijed DNA. Razlog može biti učinak na genetski materijal određenih kemikalija (akridinskih spojeva). Veliki broj mutacija nastaje zbog uključivanja u DNK mobilnih genetskih elemenata - transpozona. Pogreške u rekombinaciji s nejednakim intragenskim križanjem također mogu poslužiti kao uzrok.

S takvim mutacijama mijenja se značenje bioloških informacija zabilježenih u ovoj DNK.

3. promjena u redoslijedu nukleotidnih sekvenci. Ova vrsta mutacije nastaje zbog rotacije segmenta DNK za 180ᵒ (inverzija). To je zbog činjenice da molekula DNK tvori petlju unutar koje replikacija ide u krivom smjeru. Unutar invertirane regije, čitanje informacija je poremećeno i poremećena je sekvenca aminokiselina proteina.

Razlozi:-nejednak prijelaz između homolognih kromosoma

intrakromosomski prijelaz

Krmosomski prekidi

Praznine s naknadnim povezivanjem kromosomskih elemenata

Kopiranje gena i prijenos u drugi dio kromosoma

Svi znamo da se izgled osobe, neke navike, pa čak i bolesti nasljeđuju. Sve te informacije o živom biću kodirane su u genima. Dakle, kako ti zloglasni geni izgledaju, kako funkcioniraju i gdje se nalaze?

Dakle, nositelj svih gena bilo koje osobe ili životinje je DNK. Ovaj spoj je otkrio Johann Friedrich Miescher 1869. Kemijski je DNK deoksiribonukleinska kiselina. Što to znači? Kako ova kiselina nosi genetski kod cijelog života na našem planetu?

Počnimo gledajući gdje se nalazi DNK. U ljudskoj stanici postoji mnogo organela koji obavljaju različite funkcije. DNK se nalazi u jezgri. Jezgra je mala organela koja je okružena posebnom membranom koja pohranjuje sav genetski materijal – DNK.

Koja je struktura molekule DNK?

Prvo, pogledajmo što je DNK. DNK je vrlo duga molekula koja se sastoji od strukturnih elemenata – nukleotida. Postoje 4 vrste nukleotida - adenin (A), timin (T), gvanin (G) i citozin (C). Lanac nukleotida shematski izgleda ovako: GGAATTSTAAG.... Ovaj slijed nukleotida je DNK lanac.

Strukturu DNK prvi su dešifrirali 1953. James Watson i Francis Crick.

U jednoj molekuli DNK nalaze se dva lanca nukleotida koji su spiralno uvijeni jedan oko drugog. Kako se ti nukleotidni lanci drže zajedno i uvijaju u spiralu? Ova pojava je posljedica svojstva komplementarnosti. Komplementarnost znači da samo određeni nukleotidi (komplementarni) mogu biti jedan nasuprot drugome u dva lanca. Dakle, suprotni adenin je uvijek timin, a suprotni gvanin je uvijek samo citozin. Dakle, gvanin je komplementaran s citozinom, a adenin s timinom.Takvi parovi nukleotida jedan naspram drugog u različitim lancima nazivaju se i komplementarni.

Može se shematski prikazati na sljedeći način:

G - C
T - A
T - A
C - G

Ovi komplementarni parovi A - T i G - C tvore kemijsku vezu između nukleotida para, a veza između G i C je jača nego između A i T. Veza nastaje striktno između komplementarnih baza, tj. stvaranje veze između nekomplementarnih G i A je nemoguće.

"Pakiranje" DNK, kako lanac DNK postaje kromosom?

Zašto se ovi nukleotidni lanci DNK također uvijaju jedan oko drugog? Zašto je ovo potrebno? Činjenica je da je broj nukleotida ogroman i da vam je potrebno puno prostora za smještaj tako dugih lanaca. Iz tog razloga dolazi do spiralnog uvijanja dvaju lanaca DNK oko drugog. Taj se fenomen naziva spiralizacija. Kao rezultat spiralizacije, lanci DNK skraćuju se 5-6 puta.

Neke molekule DNK tijelo aktivno koristi, dok se druge rijetko koriste. Takve rijetko korištene molekule DNK, osim helikalizacije, prolaze još kompaktnije “pakiranje”. Takav kompaktni paket naziva se supercoiling i skraćuje lanac DNK za 25-30 puta!

Kako je pakiran DNK helix?

Za supernamotavanje koriste se histonski proteini koji imaju izgled i strukturu šipke ili koluta konca. Spiralizirani lanci DNK su namotani na ove "zavojnice" - histonske proteine. Na taj način duga nit postaje vrlo kompaktno upakirana i zauzima vrlo malo prostora.

Ako je potrebno upotrijebiti jednu ili drugu molekulu DNK, dolazi do procesa "odmotavanja", odnosno "namotavanja" DNK niti iz "zavojnice" - proteina histona (ako je namotana na nju) i odmotava se od spirala u dva paralelna lanca. A kada je molekula DNK u tako neuvijenom stanju, tada se iz nje mogu iščitati potrebne genetske informacije. Štoviše, čitanje genetskih informacija događa se samo iz neupletenih DNK niti!

Skup supernamotanih kromosoma naziva se heterokromatin i kromosomi dostupni za čitanje informacija - euhromatin.


Što su geni, kakav je njihov odnos s DNK?

Pogledajmo sada što su geni. Poznato je da postoje geni koji određuju krvnu grupu, boju očiju, kose, kože i mnoga druga svojstva našeg tijela. Gen je strogo definirani dio DNK, koji se sastoji od određenog broja nukleotida raspoređenih u strogo definiranoj kombinaciji. Položaj u strogo definiranom dijelu DNK znači da određeni gen ima svoje mjesto i to je mjesto nemoguće promijeniti. Prikladno je napraviti takvu usporedbu: osoba živi u određenoj ulici, u određenoj kući i stanu, a osoba se ne može samovoljno preseliti u drugu kuću, stan ili u drugu ulicu. Određeni broj nukleotida u genu znači da svaki gen ima određeni broj nukleotida i ne može postati veći ili manji. Na primjer, gen koji kodira proizvodnju inzulina dug je 60 parova baza; gen koji kodira proizvodnju hormona oksitocina je 370 bp.

Stroga nukleotidna sekvenca je jedinstvena za svaki gen i strogo definirana. Na primjer, sekvenca AATTAATA je fragment gena koji kodira proizvodnju inzulina. Da bi se dobio inzulin koristi se upravo takav slijed, a za dobivanje npr. adrenalina koristi se druga kombinacija nukleotida. Važno je razumjeti da samo određena kombinacija nukleotida kodira određeni "proizvod" (adrenalin, inzulin itd.). Takva jedinstvena kombinacija određenog broja nukleotida, koja stoji na "svom mjestu" - to je gen.

Osim gena, u lancu DNK nalaze se i takozvane “nekodirajuće sekvence”. Takve nekodirajuće nukleotidne sekvence reguliraju funkcioniranje gena, pomažu spiralizaciju kromosoma i označavaju početnu i završnu točku gena. Međutim, do danas, uloga većine nekodirajućih sekvenci ostaje nejasna.

Što je kromosom? spolni kromosomi

Sveukupnost gena pojedinca naziva se genom. Naravno, cijeli genom se ne može upakirati u jednu DNK. Genom je podijeljen na 46 parova DNK molekula. Jedan par molekula DNK naziva se kromosom. Dakle, upravo tih kromosoma osoba ima 46 komada. Svaki kromosom nosi strogo definiran skup gena, na primjer, 18. kromosom sadrži gene koji kodiraju boju očiju itd. Kromosomi se međusobno razlikuju po dužini i obliku. Najčešći oblici su u obliku X ili Y, ali postoje i drugi. Osoba ima dva kromosoma istog oblika, koji se nazivaju upareni (parovi). U vezi s takvim razlikama, svi upareni kromosomi su numerirani - ima 23 para. To znači da postoji par kromosoma #1, par #2, #3 i tako dalje. Svaki gen odgovoran za određenu osobinu nalazi se na istom kromosomu. U modernim priručnicima za stručnjake lokalizacija gena može biti naznačena, na primjer, kako slijedi: kromosom 22, duga ruka.

Koje su razlike između kromosoma?

Kako se još kromosomi međusobno razlikuju? Što znači pojam duga ruka? Uzmimo kromosome u obliku slova X. Križanje lanaca DNA može se dogoditi strogo u sredini (X), ili se može dogoditi ne centralno. Kada se takvo sjecište lanaca DNA ne događa centralno, tada su u odnosu na točku presjeka neki krajevi duži, drugi su kraći. Takvi dugi krajevi obično se nazivaju dugim krakom kromosoma, a kratki krajevi, odnosno kratkim krakom. Kromosome u obliku slova Y uglavnom zauzimaju dugi krakovi, a kratki su vrlo mali (nisu ni naznačeni na shematskoj slici).

Veličina kromosoma varira: najveći su kromosomi parova br.1 i br.3, najmanji kromosomi parova br.17, br.19.

Osim oblika i veličine, kromosomi se razlikuju po svojim funkcijama. Od 23 para, 22 para su somatska, a 1 par je seksualni. Što to znači? Somatski kromosomi određuju sve vanjske znakove pojedinca, karakteristike njegovih reakcija u ponašanju, nasljedni psihotip, odnosno sve značajke i karakteristike svake pojedine osobe. Par spolnih kromosoma određuje spol osobe: muški ili ženski. Postoje dvije vrste ljudskih spolnih kromosoma - X (X) i Y (Y). Ako se kombiniraju kao XX (X - X) - ovo je žena, a ako XY (X - Y) - imamo muškarca ispred sebe.

Nasljedne bolesti i oštećenja kromosoma

Međutim, dolazi do “kvarova” genoma, tada se kod ljudi otkrivaju genetske bolesti. Na primjer, kada su tri kromosoma u 21 paru kromosoma umjesto dva, osoba se rađa s Downovim sindromom.

Mnogo je manjih "kvarova" genetskog materijala koji ne dovode do pojave bolesti, već, naprotiv, daju dobra svojstva. Svi "kvarovi" genetskog materijala nazivaju se mutacije. Mutacije koje dovode do bolesti ili pogoršanja svojstava organizma smatraju se negativnim, a mutacije koje dovode do stvaranja novih korisnih svojstava smatraju se pozitivnim.

Međutim, u odnosu na većinu bolesti od kojih ljudi danas boluju, nije bolest koja je nasljedna, već samo predispozicija. Na primjer, kod oca djeteta šećer se polako apsorbira. To ne znači da će se dijete roditi s dijabetesom, ali će dijete imati predispoziciju. To znači da ako dijete zlorabi slatkiše i proizvode od brašna, tada će razviti dijabetes.

Danas je tzv predikativnu Lijek. U sklopu ove medicinske prakse kod osobe se utvrđuju predispozicije (na temelju identifikacije odgovarajućih gena), a zatim mu se daju preporuke – koju prehranu treba slijediti, kako pravilno izmjenjivati ​​režim rada i odmora kako ne bi dobio bolesna.

Kako pročitati informacije kodirane u DNK?

Ali kako možete pročitati informacije sadržane u DNK? Kako to njezino tijelo koristi? Sama DNK je svojevrsna matrica, ali ne jednostavna, već kodirana. Za čitanje informacija iz DNK matrice, najprije se prenosi na poseban nosač - RNA. RNA je kemijski ribonukleinska kiselina. Od DNK se razlikuje po tome što može proći kroz nuklearnu membranu u stanicu, dok DNK nema tu sposobnost (može se naći samo u jezgri). Kodirane informacije koriste se u samoj ćeliji. Dakle, RNA je nositelj kodiranih informacija od jezgre do stanice.

Kako dolazi do sinteze RNA, kako se uz pomoć RNA sintetizira protein?

Odmotaju se lanci DNK iz kojih se informacija mora “čitati”, prilazi im poseban enzim, “graditelj”, koji paralelno s lancem DNK sintetizira komplementarni RNA lanac. Molekulu RNA također čine 4 vrste nukleotida – adenin (A), uracil (U), guanin (G) i citozin (C). U ovom slučaju komplementarni su sljedeći parovi: adenin - uracil, guanin - citozin. Kao što možete vidjeti, za razliku od DNK, RNA koristi uracil umjesto timina. Odnosno, enzim "graditelj" radi na sljedeći način: ako vidi A u lancu DNK, tada veže Y na lanac RNA, ako G, onda veže C, itd. Tako se od svakog aktivnog gena tijekom transkripcije formira šablona – kopija RNA koja može proći kroz nuklearnu membranu.

Kako je sinteza proteina kodirana određenim genom?

Nakon izlaska iz jezgre, RNA ulazi u citoplazmu. Već u citoplazmi RNA može biti, kao matriks, ugrađena u posebne enzimske sustave (ribosome), koji mogu sintetizirati, vođeni informacijom RNA, odgovarajući aminokiselinski slijed proteina. Kao što znate, proteinska molekula se sastoji od aminokiselina. Kako ribosom uspijeva znati koju aminokiselinu treba vezati na rastući proteinski lanac? To se radi na temelju trojnog koda. Trojni kod znači da sekvenca tri nukleotida RNA lanca ( trojka, na primjer, GGU) kod za jednu aminokiselinu (u ovom slučaju, glicin). Svaka aminokiselina je kodirana specifičnim tripletom. I tako, ribosom "čita" triplet, određuje koju aminokiselinu treba dodati sljedeće dok se informacija čita u RNA. Kada se formira lanac aminokiselina, on poprima određeni prostorni oblik i postaje protein sposoban obavljati enzimske, građevne, hormonalne i druge funkcije koje su mu dodijeljene.

Protein za svaki živi organizam je genski proizvod. Proteini su ti koji određuju sva različita svojstva, kvalitete i vanjske manifestacije gena.