Физико-химическая структура днк.

Дезоксири6онуклеиновая кис­лота (ДНК). Роль хранителя наследственной информации у всех клеток — животных и рас­тительных- — принадлежит ДНК. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Ширина та­кой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч больше – она достигает сотен тысяч нанометров. Таким образом, вдоль молекул ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул. Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика – она достигает десятков и даже сотен миллионов.

Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотид – это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. У всех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.

Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют: аденин, гуанин, тимин, цитозин.

По размерам А равен Г, в Т равен Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц.

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью.

Каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Двойная спираль ДНК под влиянием фермента начинает с од­ного конца раскручиваться, и на каждой цепи из находящихся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности. Против каждого А встает Т, против Г – Ц и т. д. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная. Одна цепь в каждой вновь образовавшейся молекуле ДНК происходит из первоначальной молекулы, а дру­гая синтезируется вновь.{2, c136-137}

  1. Свойства генетического кода.

Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в информационной РНК.

Свойства генетического кода:

  1. Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то 16 из 20 аминокислот остались бы не зашифрованы. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот . Природа создала трехбуквенный, или триплетный код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодом.

  2. Код выражден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодом. Исключения составляют аминокислоты метионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом. Тот факт, что метионин кодируется одним триплетом АУГ, имеет особый смысл.

  3. Код однозначен. Каждый код шифрует только одну аминокислоту. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию о β – цепи гемоглобина, триплет ГАА или ГАГ, стоящем на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту.

  4. Между генами имеются «знаки препинания». В печатном тексте в конце каждой фразы стоит точка. Несколько связанных по смыслу фраз составляют абзац. На языке генетической информации таким абзацем являются оперон и комплементарная ему и – РНК. Каждый ген в опероне кодирует одну полипептидную цепочку – фразу. Так как в ряде случаев по матрице и – РНК последовательно создается несколько разных полипептидных цепей, они должны быть отделены друг от друга. Для этого в генетическом коде существуют три специальные триплеты – УАА, УАГ, УГА. Таким образом, эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена.

  5. Внутри гена нет «знаков препинания». Поскольку генетический код подобен языку, разберем это свойство на примере такой составленной из триплетов фразы: жил был кот тих был сер мил мне тот кот.

Смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие «знаков препинания». Если же мы уберем в первом слове одну букву (один нуклеотид в гене), но читать будем также тройками букв, то получится бессмыслица: илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от

Нарушение смысла возникает и при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена. Белок, который будет считываться с такого «испорченного» гена, не будет иметь ничего общего с тем белком, который кодировался нормальным геном.

  1. Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. {3, c146-148}

  1. Объясните что такое: репликация, транскрипция, трансляция.

Репликация – удвоение молекул ДНК. В результате этого сложного процесса образуются две двойные спирали ДНК. Эти молекулы ничем не отличаются друг от друга и от исходной «материнской» молекулы ДНК. Репликация происходит в клетке перед делением, поэтому каждая «дочерняя» клетка получает точно такие же молекулы ДНК, какие имела «материнская» клетка. Процесс репликация основан на ряде принципов:

  1. Комплементарность. Каждая из двух цепей «материнской» молекулы ДНК служит матрицей для синтеза дополняющей ее комплементарной цепи.

  2. Полуконсервативность. В результате репликации образуются две двойные «дочерние» спирали, каждая из которых сохраняет в неизменном виде одну из половин «материнской» ДНК. Дочерние ДНК ничем не отличаются друг от друга и от материнской двойной спирали.

  3. Антипараллельность. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию. Один конец несет гидроксильную группу, на другом конце цепи находится остаток фосфорной кислоты. Две комплементарные цепи в молекуле ДНК расположены в противоположных направлениях. Ферменты синтезирующие новые нити ДНК, называемые ДНК – полимеразами, могут передвигаться вдоль матричных цепей лишь в одном направлении. Поэтому в процессе репликации одновременно синтез новых цепей идет антипараллельно.

  4. Прерывистость. Для того чтобы новые нити ДНК были построены по принципу комплементарности, двойная спираль должна быть раскручена и родительские цепи вытянуты. Только в этом случае ДНК – полимераза способна двигаться по «материнским» нитям и использовать их в качестве матрицы для безошибочного синтеза «дочерних» цепей. Но раскручивание спиралей, состоящих из многих миллионов пар нуклеотидов, сопряжено со столь значительным количеством вращений и такими энергетическими затратами, которые невозможны в условиях клетки. Поэтому репликация начинается одновременно в нескольких местах молекулы ДНК. Участок между двумя точками, в которых начинается синтез «дочерних» цепей, называется репликоном. Он является единицей репликации.

Транскрипция – процесс считывания или синтеза РНК, осуществляемый РНК – полимеразой.

ДНК – носитель всей генетической информации в клетке – непосредственного участия в синтезе белков не принимает. В клетках животных и растений молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра и отделены ядерной мембраной от цитоплазмы, где происходит синтез белков.

К рибосомам – местам сборки белков – высылается из ядра несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной мембраны. Таким посредником является информационная РНК. Она и осуществляет транскрипцию.

Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон, в состав которого входят один или несколько структурных генов, т.е. генов, несущих информацию о структуре белка. Перед этими генами, в начале оперона, расположен промотор – «посадочная площадка» для фермента РНК – полимеразы. Между промотором и структурными генами в опероне, располагается участок ДНК, называемый оператором. Если с оператором связан особый белок – репрессор, то РНК – полимераза не может начать синтез и – РНК.

В процессе транскрипции можно выделить 4 стадии:

  1. Связывание РНК – полимеразы с промотором.

  2. Инициация — начало синтеза. Она заключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между АТФ или ГТФ и вторым нуклеотидом синтезирующейся молекулы – РНК.

  3. Элонгация – рост цепи РНК, т.е. последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные нуклеотиды в транскрибируемой нити ДНК. Скорость элонгации достигает 50 нуклеотидов в секунду.

  4. Терминация – завершение синтеза и — РНК.

Трансляция – синтез полипептидных цепей белков по матрице и – РНК, выполняемый рибосомами. Первая рибосома вступает на нитевидную молекулу и-РНК с левого конца и начинает синтез белка. По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК. Когда рибосома продвинется вперед, с того же конца на и-РНК входит вторая рибосома, которая, как и первая, начинает синтез и движется вслед за первой рибосомой. Затем на и-РНК вступает третья рибосома, четвертая и Т. д. Все они выпол­няют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и-РНК. Чем дальше впра­во продвинулась рибосома по и-РНК, тем больший отрезок белко­вой молекулы «собран». Когда рибосома достигает правого конца и-РНК, синтез окончен. Рибосома с образовавшимся белком схо­дит с и-РНК. Затем они расходятся: рибосома — на любую и-РНК (так как она способна к синтезу любого белка; характер белка зависит от матрицы и-РНК), белковая молекула — в эндоплазма­тическую сеть и по ней перемещается в тот участок клетки, где требуется данный вид белка. С левого конца и-РНК на нее вступа­ют все новые и новые рибосомы, и синтез белка идет непрерывно. Число рибосом, умещающихся одновременно на молекуле и-РНК, зависит от ее длины. Так, на молекуле и-РНК, которая программирует синтез белка гемоглобина, помещается до пяти рибосом.

Размер участка рибосомы, в котором происходит трансляция, соответствует длине 6 нуклеотидов, Т. е. двум триплетам. Сле­довательно, когда рибосома скользит по и-РНК, в функциональ­ном центре рибосомы (ФЦР) всегда одновременно находятся 2 соседних триплета нуклеотидов.

Рибосома перемещается по и-РНК с триплета на триплет, но не плавно, а прерывисто, «шажками». Закончив трансляцию одного триплета, она перескакивает на соседний триплет и на мгновение останавливается. Операция трансляции занимает не более 1/5-1/6 с, и полипептидная цепь удлиняется на одно звено. Далее следует «шажок» на соседний триплет, снова короткая остановка, и т. д. до конца пути по и — РНК•

Рибосома уже прошла некоторый путь по и-РНК, она уже транслировала несколько триплетов, и в резуль­тате синтезирован небольшой полипептид, который свисает с рибо­сомы.В ФЦР находятся два триплета и-РНК: ЦГУ и ГУЦ. ЦГУ — это триплет, трансляция которого закончена; ГУЦ — это триплет, трансляция которого начинается. ГУЦ пока свободен, а ЦГУ комплементарно связан с т-РНК, с которой свисает полипептид­ная цепочка.

К ГУЦ по правилу комплементарности присоединяется кодовым триплетом т-РНК, несущая аминокислоту валин (вал). Доставленная аминокислота (вал) и верхний аминокислотный остаток полипептидной цепи (арг) оказываются рядом. Между ними возникает пептидная связь. полипептидная цепь удлиняется на одно звено.

Полипептидная цепочка перебрасывается с правого нуклеотида (ЦГУ) на левый (ГУЦ) и повисает на нем.

Рибосома скачком перемещается на следующий триплет. Триплет ЦГУ сего т-РНК оказывается за пределами ФЦР, т-РНК отрывается от ЦГУ и выталкивается из рибосомы.

Далее все стадии повторяются, и полипептидная цепь растет звено за звеном. Так работает рибосома — этот удивительный органоид клетки, который по праву называют «молекулярным автоматом» синтеза белка.

Совсем недавно, в начале 50-х годов, впервые белок был синтезирован искусственно. Это был инсулин, полипептидная цепь которого состоит всего из 51 аминокислотного остатка. Для его синтеза потребовалось провести около 5000 операций. В этой работе принимали участие 10 человек в течение трех лет. В лабораторных условиях синтез белка требует огромных усилий, времени и средств. В живой клетке синтез одной молекулы белка, состоящей из 200-300 аминокислотных звеньев, завер­шается очень быстро — в 1-2 мин. {3, c 317, 326-330}

  1. Какие мутации не являются материалом для эволюции и почему?

Генные синонимичные мутации не являются материалом для эволюции, т. к. не происходит изменения в белке. (Лекция)

6. Ген

Ген (от греч. genos – род, происхождение) (наследственный фактор), единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака. У высших организмов (эукариот) входит в состав хромосом. Совокупность всех генов данного организма составляет его генетическую конституцию – генотип. Дискретные наследственные факторы были открыты в 1865 Г. Менделем; в 1909 В. Иогансен назвал их генами. Развитие молекулярной генетики привело к раскрытию химической природы генетического материала и представлению о гене как об участке молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК) со специфическим набором нуклеотидов, в линейной последовательности которых закодирована генетическая информация. Каждый ген ответственен за синтез определенного белка (фермента и др. ). Контролируя их образование, гены управляют всеми химическими реакциями организма и определяют таким образом его признаки. Уникальное свойство гена – сочетание их высокой устойчивости (неизменяемости в ряду поколений) со способностью к наследуемым изменениям – мутациям, которые являются источником генетической изменчивости организмов и основой для действия естественного отбора. {2, c125}

7. Аллель

Аллели – различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных (парных) хромосом; определяют варианты развития одного и того же признака. В нормальной диплоидной клетке может присутствовать не более двух аллелей одновременно. {1, c26}

8. Хромосомы

Хромосомы- нитевидная структура клеточного ядра, несущая генетическую информацию в виде генов, которая становится видной при делении клетки. Хромосома состоит из двух полинуклеотидных цепей, образующих молекулу ДНК. Цепи спирально закручены одна вокруг другой. Каждая хромосома может воспроизводить свою точную копию в промежутках между клеточными делениями, так что каждая новая образующаяся клетка получает полный набор хромосом. {5}

  1. Геном

Геном — совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. Термин предложен Г. Винклером в 1920г. В отличие от генотипа, геном представляет собой характеристику видов, а не отдельные особи. Диплоидные организмы содержат 2 генома – отцовский и материнский. Термин «геном» в современной генетике употребляют и по отношению к совокупности генов у бактерий, вирусов, органелл. {1, c126}

  1. Генотип

Генотип – генетическая (наследственная) конституция организма, совокупность всех наследственных задатков данной клетки или организма, включая аллели генов, характер их физического сцепления в хромосомах и наличие хромосомных перестроек. В узком смысле генотип – совокупность аллелей генов или группы генов, контролирующих анализируемый признак у данного организма. Термин «генотип» предложен Иогансеном в 1909г. {1, c126}

11. Фенотип

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств особи, формирующихся в процессе взаимодействия ее генетической структуры ( генотипа) и внешней, по отношению к ней, среды. Термин «фенотип» введен Иогансеном в 1903г. В Фенотипе не реализуются все генотипические возможности, и он является лишь частным случаем реализации генотипа в конкретных условиях. {1, c668}

  1. Свойства генетического материала: дискретность, непрерывность, линейность, относительная стабильность.

Генетический материал – компоненты клетки, обеспечивающие хранение, реализацию, воспроизводство и передачу при размножении генетической информации.

Дискретность – наличие обособленных групп сцепления хромосом.

Непрерывность – физическая целостность хромосом.

Линейность – одномерность «записи» генетической информации.

Относительная стабильность – передача потомству с неблагоприятными изменениями. {5}

  1. Изменчивость: наследуемая (генетическая, мутационная).

Это возникновение изменений в наследственном материале, т.е молекуле ДНК. Наследственная изменчивость обусловлена изменениями в генетическом материале и является основой разнообразия живых организмов, а также главной причиной эволюционного процесса, так как она поставляет материал для естественного отбора. {2, c165-166}

  1. Изменчивость: ненаследуемая (модификационная, фенотипическая).

Это такие изменения признаков организма, которые не затрагивают его гены и не могут передаваться следующим поколениям. Чаще всего модификациям подвержены количественные признаки: рост, вес, плодовитость и т.д.

Основные характеристики:

— модификационные изменения не передаются потомкам

— модификационные изменения возникают у многих особей вида и зависят от воздействия окружающей среды.

— модификационные изменения в конечном счете определяются генотипом. {2,c164-165}

15. Мутагенные факторы.

К мутационным факторам относят некоторые физические воздействия на организм. Сильнейшим мутагеном является ионизирующие излучение – электромагнитные волны с маленькой длиной волны, но с очень высокой энергией квантов. Такие кванты проникают в ткани организма, повреждая различные молекулы, и, в частности, молекулы ДНК. Ультрафиолетовое излучение также относится к коротковолновым, но его кванты не проникают глубоко и разрушают только поверхностные слои ткани. Мутагенным фактором также является повышенная температура. Например, при выращивание мушек дрозофил при температуре на 10 градусов выше обычной число мутаций увеличивается втрое.

Сильнейшим мутагенным действием обладают соединения из многих классов химических веществ. Например, мутации вызывают соли свинца и ртути, формалин, хлороформ, препараты для борьбы с с/х вредителями. Относительно недавно выяснилось, что таковым фактором могут быть вирусы. {2, c170}

Что такое днк и хромосомы

Что такое ДНК, и из чего она состоит? Кто и когда открыл эту молекулу в клетках человека и других живых организмов? Чем уникален открытый учеными механизм наследования, и какие последствия ждал весь мир после этого открытия? Всю необходимую информацию Вы можете узнать, прочитав эту статью.

Когда впервые в истории появилось упоминание о ДНК

Иоганнес Фридрих Фишер – врач и биолог-исследователь родом из Швейцарии, стал первым в мире ученым, выделившим нуклеиновую кислоту. Открытие случилось в 1869 году, когда он занимался изучением животных клеток, а именно лейкоцитов, которых много содержалось в гное. Совершенно случайно молодой ученый заметил, что при отмывании лейкоцитов с гнойных повязок от них остается загадочное соединение. Под микроскопом Иоганн обнаружил, что оно содержится в ядрах клеток. Это соединение Мишер назвал нуклеином, а в процессе изучения его свойств переименовал в нуклеиновую кислоту, из-за наличия свойств, как у кислот.

Роль и функции только открытой нуклеиновой кислоты были неизвестны. Однако многие ученые того времени уже высказывали свои теории и предположения о существовании механизмов наследования.

ДНК в медицине

Открытие состава молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты позволило перейти медицине на новый уровень развития. Появилось большое количество новых направлений практической медицины, стали доступны новые методы лечения, диагностики. Благодаря этому фундаментальному открытию для науки и современным технологиям, человечеству стали доступны:

  • Возможность поставить диагноз на ранней стадии заболевания, когда оно еще находится в скрытом периоде, и никаких симптомов не проявляется.
  • Тест ДНК на установление родственных связей у человека.
  • Тесты на наличие у человека аллергии или непереносимости некоторых пищевых продуктов. Индивидуальные исследования помогут выявить, какая пища хорошо усваивается организмом, а какая плохо или вообще не усваивается, и что может стать причиной аллергической реакции у исследуемого.
  • Анализ ДНК этнических особенностей. Возможность узнать, какие этносы формируют Вашу внешность, и из каких народов были Ваши далекие предки
  • Тест на наличие врожденных заболеваний, передающиеся через поколения, оценка риска их возникновения у тестируемого человека.

И это еще не все доступные для людей услуги, которые может предложить медицина, изучающая генетику. Выше были представлены только самые популярные среди людей тесты. Перспективой для многих ученых-генетиков является создание таких лекарств, способных победить все болезни на Земле и даже смертность.

Строение молекулы ДНК

Молекула ДНК состоит из органических соединений — нуклеотидов, которые скручиваются в две спиралевидные цепи. Нуклеотиды в этих цепях – это базовые элементы, с помощью которых потом будут кодироваться и выстраиваться гены. В составе одного гена возможны несколько вариантов расположения некоторых нуклеотидов, поэтому вместе с тем, как меняется структура гена, меняется и его функциональность.

В каждом живом организме находится миллионы клеток, а внутри этих клеток находится ядро. Клетки, содержащие в себе ядро, называются эукариотами или ядерными. У древних одноклеточных нет оформленного ядра. К таким безъядерным одноклеточным, или прокариотам, относятся бактерии и археи, например, кишечная палочка или серая анаэробная бактерия. Также ядро отсутствует в клетках вирусов и вироидов, однако причисление вирусов к живым организмам – вопрос спорный, о котором по сей день дискуссируют ученые.

В ядре находятся хромосомы – структурный элемент, в котором содержится молекула ДНК в виде спирали, хранящая внутри себя всю генетическую информацию клетки.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Количество нуклеотидов в ДНК велико, и нужны длинные цепочки, чтобы вместить все их число, поэтому нити ДНК закручиваются в две спирали, что позволяет укоротить цепочки в 5 раз, сделав их более компактными. Нити ДНК могут также закручиваться в форму суперспирали. Двойная спираль пересекает свою ось и накручивается на специальные гистоновые белки – гиразы, образуя при этом супервитки. Таким образом, двойная спираль закручивается в спираль более высокого порядка. Сокращение цепочек в этом случае произойдет в 30 раз.

Ген – самый изученный на сегодняшний день участок ДНК. Гены являются структурной единицей наследственности всех живых организмов. Цепочки нуклеотидов в ДНК состоят из генов, которые определяют генотип особи, например, цвет и разрез глаз, тип кожи, рост, группу и резус фактор крови и другие физиологические качества и особенности внешности.

Еще много отраслей генетики до конца не изучены, и до конца не раскрыты все функции генома, но ученые до сих пор продолжают изучение генов, чтобы добиться новых открытий в области генетики.

Хромосома: определение и описание

Хромосомы – структурный элемент клетки, находящийся внутри ядра. Они содержат в себе молекулы ДНК, в которых содержится вся наследственная информация.

Хромосома состоит из двух «палочек» — хроматид, перетянутых по центру первичной перетяжкой – центромерой. Конец хромосомы называется теломером. Центромера может делить хромосому на короткое и длинное плечо.

Отсюда возникают различные типы хромосом:

  • Равноплечая – центромера перетягивает хроматиды точно посередине;
  • Неравноплечая – центромера неточно перетягивает хроматиды, из-за чего одно плечо хромосомы будет длиннее, а другое – короче. К этому типу относится Y-хромосома;
  • Палочковидная – центромера перетягивает хроматиды практически на их концах, из-за чего по форме хромосома напоминает палочку;
  • Точковые – очень мелкие хромосомы, форму которых трудно определить. В науке существуют 3 основные формы хромосом:
  • Х-хромосома, встречающаяся у особей женского и мужского пола;
  • Y-хромосома, встречающаяся только у мужских особей;
  • В-хромосома, которая очень редко встречается в клетках растений. Обычно их число доходит до 6, редко – до 12. Ее наличие обуславливает различные болезни и побочные эффекты в организме

Всего в клетке человека находится 46 хромосом: 22 пары аутосом, встречающиеся у обоих полов, и одна пара половых хромосом: XY – у мужчин, XX – у женщин. Забавно, что если прибавить к количеству хромосом хотя бы одну пару, то человек мог бы быть шимпанзе или тараканом, а если отнять, то – кроликом.

Еще интересно то, что человек и ясень имеют одинаковое количество хромосом, несмотря на принадлежность к разным видам и царствам.

Наследственные болезни

Генетический код – система записи генетической информации в ДНК и РНК в виде определенной последовательности в цепочке нуклеотидов. Он должен сохранять наследственную информацию в первоначальном виде, восстанавливая повреждения цепочки в последующем поколении с помощью ДНК. Однако ген может каким-то образом быть поврежден, либо в нем может произойти мутация.

Генные мутации – изменение в последовательности нуклеотидов, например выпадение, замена, вставка другого нуклеотида в цепочку. Последствия этих мутаций могут быть полезные, вредные или нейтральные. Примером полезных мутаций является устойчивость к минусовым температурам, увеличенная плотность костей, меньшая потребность во сне, устойчивость к ВИЧ и другие. Примером вредных мутаций является аллергия на солнечный свет, глухота слепота и так далее. К нейтральным мутациям относятся те мутации, которые не влияют на жизнеспособность, например, гетерохромия.

Существуют также летальные и полулетальные мутации. Летальные мутации несовместимы с жизнью и приводят к гибели организма на ранних этапах его развития, например, при рождении у особи отсутствует головной мозг. Полулетальные мутации не приводят к смерти особи, но значительно уменьшают ее жизнеспособность. К таким мутациям относятся заболевания человека, передающиеся по наследству. Например, наличие 47-й хромосомы может вызвать у человека синдром Дауна, а, наоборот, отсутствие 46-й парной хромосомы – сидром Шерешевского-Тернера.

Расшифровка цепочки ДНК в клетке – это исследование всех известных генов в клетках человека. Хоть цена за такую услугу значительно упала за последние десять лет, однако такое исследование по-прежнему остается дорогим удовольствием, и не каждый человек сможет позволить себе оплатить такую услугу. Чтобы уменьшить цену этого исследования, расшифровку ДНК стали делить по тематикам. Таким образом, появились различные тесты, которые исследуют интересующую человека группу генов и ее функции.

Как происходит расшифровка цепочки ДНК?

  • Взятые на пробу образцы ДНК нагревают, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две нити.
  • К интересующему участку цепочки генов прилепляется полимераза — фермент, синтезирующий полимеры нуклеиновых кислот. Процедура проходит при низких температурах.
  • С помощью полимеразы в интересующих участков происходит синтезов генов, необходимых для изучения.
  • Участки пропитывают светящейся краской, которая светится при лазерном воздействии.

Таким образом, ученые получают картину гена, которую можно изучить и расшифровать. Синтез РНК Нуклеотиды делятся на четыре базовых элемента, служащими основой для формирования генов: АТГЦ, или аденин, тимин, гуанин, цитозин. В их состав входят фосфорные остатки, азотистые основания и пептоза.

В ДНК эти нуклеотиды располагаются строго по парам параллельно друг другу строгими парами: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином.

Важно, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты не должна выходить за пределы мембраны ядра. С помощью РНК, которая играет роль копии участка цепи с генетическим кодом, генетическая цепочка может покинуть ядро, попасть вовнутрь клетки и воздействовать на ее внутренние процессы.

  • Один конец генной спирали раскручивается, формируя две развернутые нити с цепочкой генов.
  • К развернутому участку спирали подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует его копию.
  • У копии в структуре нуклеотидов тимин во всех парах заменяется на урацил, что позволяет копии генетической цепи покинуть ядро клетки. Синтез белка при помощи генов Основное взаимодействие, происходящее между генами и клеткой, состоит в том, что различные гены могут заставлять клетку производить синтез разных белков с самыми непредсказуемыми свойствами.

Итак, группа генов, участвующих в процессе старения клеток может, как заставить процесс старения идти быстрее, так и вовсе его остановить и запустить процесс омолаживания. То есть, каждый из генов может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Сутягина Дарья Сергеевна

Эксперт-генетик

В нашей ДНК содержится очень много информации, но пока мы можем расшифровать лишь небольшой процент генов. Добавлю несколько интересных фактов о ДНК: возможность двойной ДНК у человека. Такое явление случается, когда при беременности в утробе развиваются близнецы, но в процессе развития плода они сливаются в одного человека. Длина одной молекулы ДНК человека равна 2 метрам, а общая длина цепочки ДНК всех клеток тела человека равна 16 млрд. километрам, что равно расстоянию от Земли до Плутона. ДНК человека и кенгуру всего лишь 150 млн. лет назад были одинаковыми. Все знания и информация во всем мире могла бы уместиться всего лишь в 2 граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.

1.30: ДНК, РНК и репликация ДНК

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    • Розанна Хартлайн
    • West Hills College Lemoore
    Цели обучения
    • Подробно описать/определить структуры ДНК от нуклеотидных компонентов до двойной спирали.
    • Подробно опишите / определите структуры РНК от нуклеотидных компонентов до одноцепочечной.
    • Сравните структуры ДНК и РНК.
    • Использование и определение 5′- и 3′-направленности нуклеотидов и молекул ДНК и РНК.
    • Подробно объясните процесс репликации ДНК и определите компоненты этого процесса на схемах и рисунках.
    • Соберите нуклеотиды ДНК и РНК, используя кусочки головоломки, и сравните их структуры.
    • Создавайте последовательности нуклеиновых кислот ДНК и РНК, используя кусочки головоломки, и идентифицируйте и сравнивайте структуры этих молекул.
    • Воспроизведите процесс репликации ДНК, используя модель ДНК-головоломки.
    • Сравните головоломку воссоздания репликации ДНК с событиями, происходящими в реальном процессе репликации ДНК.

     

    Важность понимания структуры ДНК

    Понимание структуры ДНК имеет основополагающее значение для лучшего понимания биологии в целом, но особенно микробиологии, болезней и современных медицинских подходов. Вот несколько способов, которыми глубокое понимание структуры ДНК повлияет на вашу способность понимать дополнительные микробиологические темы:

    • ДНК микроба определяет, является ли этот микроб патогенным или нет, и степень его патогенности
    • ДНК микроба является основным планом метаболизма, характеристик, способностей, структуры и подходов к выживанию этого микроба
    • Информация о ДНК используется в процессе экспрессии генов
    • понимание структуры ДНК необходимо для лучшего понимания экспрессии генов
    • понимание того, как работает экспрессия генов, позволяет нам понять связь между ДНК и характеристиками микроба
    • то, как патогены (болезнетворные микробы) эволюционируют/изменяются с течением времени (подумайте о штаммах сезонного гриппа или новых вариантах вируса, вызывающего COVID-19), связано с его ДНК (или близкородственной молекулой РНК в случае вирус, вызывающий COVID-19) и как эта ДНК меняется со временем
    • ДНК используется для идентификации микробов (например, какой микроб вызывает инфекцию) в диагностических подходах, таких как ПЦР-тестирование
    • Понимание того, как работает ПЦР для диагностических методов, требует четкого понимания структуры ДНК и репликации ДНК
    • понимание современной биологической науки невозможно без четкого понимания структуры ДНК и репликации ДНК (и ПЦР тоже)

     

    Примечание

    ПЦР имеет огромное количество применений помимо медицинской диагностики!

     

    Структура ДНК

     

    Нуклеотиды — мономеры ДНК

    Строительные блоки ДНК — нуклеотиды. Важными компонентами нуклеотида являются азотистое (азотсодержащее) основание, 5-углеродный сахар (пентоза) и фосфатная группа. Нуклеотид назван в зависимости от азотистого основания. Азотистое основание может представлять собой пурин, такой как аденин (А) и гуанин (G), или пиримидин, такой как цитозин (С) и тимин (Т).

     

    Рисунок 1: Нуклеотиды являются строительными блоками ДНК и РНК. На этом рисунке показана обобщенная структура нуклеотидов и их оснований. (Слева) Один нуклеотид состоит из фосфатной группы, пентозного сахара (сахара с пятью атомами углерода) и основания. Пентозный сахар представляет собой дезоксирибозу в ДНК и имеет водород, присоединенный к 2′-атому углерода вместо ОН. Пентозный сахар представляет собой рибозу в РНК и имеет ОН, присоединенный к 2′-атому углерода, а не просто водород. Основания, обнаруженные в нуклеотидах, могут быть классифицированы как пуриновые или пиримидиновые. (справа) Пурины имеют двойную кольцевую структуру с шестичленным кольцом, слитым с пятичленным кольцом. Пиримидины меньше по размеру; они имеют единую шестичленную кольцевую структуру. Каждое основание содержит не менее двух атомов азота. Именно из-за этого основания обычно называют «азотистыми основаниями».

     

    Пурины имеют двойную кольцевую структуру с шестичленным кольцом, слитым с пятичленным кольцом. Пиримидины меньше по размеру; они имеют единую шестичленную кольцевую структуру.

     

    Важно

    Атомы углерода пентозного сахара пронумерованы 1′, 2′, 3′, 4′ и 5′ (1′ читается как «один штрих», 2′ читается как «два штриха», » и т. д.). Эти простые числа используются для описания направления нитей ДНК, используя 5′ для обозначения одной стороны молекулы ДНК и используя 3′ для обозначения другой стороны молекулы ДНК.

    Когда нуклеотиды встраиваются в такие процессы, как репликация ДНК и экспрессия генов, эти направления невероятно важны, поскольку нуклеиновые кислоты могут образовывать новые связи только на 3′-конце. В результате часто утверждается, что нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) построены от 5′ до 3′.

     

    Сахар представляет собой дезоксирибозу в ДНК и рибозу в РНК. Фосфат, который делает ДНК и РНК кислыми, соединяется с 5′-углеродом сахара путем образования сложноэфирной связи между фосфорной кислотой и 5′-ОН-группой (сложный эфир представляет собой кислоту + спирт). В нуклеотидах ДНК 3′-углерод дезоксирибозы сахара присоединен к гидроксильной (ОН) группе. В нуклеотидах РНК 2′-углерод сахарной рибозы также содержит гидроксильную группу. Основание присоединено к 1′-углероду сахара.

     

    Общая структура ДНК

    Нуклеотиды образуют ковалентные связи друг с другом, образуя фосфодиэфирных связей (причудливое научное название ковалентных связей, соединяющих нуклеотиды вместе). Фосфатная группа образует ковалентную связь с гидроксильной группой 3′-углерода сахара следующего нуклеотида, тем самым образуя 5′-3′-фосфодиэфирную связь. В полинуклеотиде на одном конце цепи находится свободный 5′-фосфат, а на другом конце — свободный 3′-ОН. Их называют 5′- и 3′-концами цепи.

    Результатом соединения нуклеотидов является сахарно-фосфатный остов с азотистыми основаниями, свисающими с боков. Эта конструкция напоминает половину лестницы. Боковые опорные перила лестницы аналогичны сахарофосфатному хребту, а полуперекладина в середине лестницы аналогична основаниям, свисающим сбоку. Чтобы ДНК представляла собой полноценную двухцепочечную молекулу, одна цепь ДНК соединяется с другой цепью ДНК. В результате получается полная лестница, боковые опоры которой представляют собой сахарно-фосфатные остова, а перекладины посередине являются основаниями двух нитей ДНК, взаимодействующих друг с другом посередине.

     

    Рис. 2: ДНК имеет (а) структуру двойной спирали и (б) фосфодиэфирные связи; пунктирные линии между тимином и аденином и гуанином и цитозином обозначают водородные связи. (c) Большая и малая бороздки являются местами связывания ДНК-связывающих белков во время таких процессов, как транскрипция (копирование РНК из ДНК) и репликация.

     

    Две нити ДНК могут образовывать пары только тогда, когда две нити антипараллельны , то есть нити параллельны, но в противоположных направлениях. Одна цепь ДНК будет находиться в направлении от 5′ к 3′, и она соединится с перевернутой к ней цепью в положении от 3′ к 5′. Такое расположение позволяет комплементарным парам оснований образовывать водородные связи друг с другом. Основания ДНК, которые встречаются в середине пары двухцепочечной молекулы ДНК, так что аденин (А) всегда соединяется с тимином (Т), а гуанин (G) всегда соединяется с цитозином (С). Пара AT-T удерживается вместе двумя водородными связями, а пара G-C удерживается вместе тремя водородными связями.

    Вся лестница ДНК скручивается в трех измерениях, образуя спиральную форму молекулы.

     

    Рисунок 3: На этой анимации показана трехмерная структура двойной спирали ДНК. Обратите внимание, что эта молекула похожа на скрученную лестницу. Ступени лестницы — это основания AT и G-C двух цепей ДНК, образующих водородные связи друг с другом. Боковые опоры лестницы представляют собой сахарно-фосфатные основы двух цепей ДНК.

     

    Структура РНК

    Структура ДНК очень похожа на структуру ДНК. РНК состоит из нуклеотидов, соединенных вместе фосфодиэфирными связями, образуя сахарофосфатный остов с основаниями, свисающими с боков. Существует три основных различия между ДНК и РНК:

    1. Нуклеотиды РНК содержат рибозу в качестве пентозного сахара вместо дезоксирибозы (рибоза имеет -ОН на 2′-углероде, тогда как дезоксирибоза имеет -H на 2′-углероде)
    2. нуклеотида РНК не будут содержать основания тимина, а вместо этого будут содержать урацил; пары оснований урацила с аденином так же, как тимин делает
    3. РНК представляет собой одноцепочечную молекулу

     

    Рисунок 4: Сравнение структуры ДНК и структуры РНК. На этой диаграмме показано, что РНК является одноцепочечной, а ДНК — двухцепочечной, и эта РНК содержит урацил вместо тимина.

     

    Репликация ДНК

    Репликация ДНК хорошо изучена у прокариот в первую очередь из-за небольшого размера генома и большого разнообразия доступных мутантов. E. coli имеет 4,6 миллиона пар оснований в одной кольцевой хромосоме, и все они реплицируются примерно за 42 минуты, начиная с одного участка на хромосоме и двигаясь по кругу в обоих направлениях. Это означает, что в секунду добавляется примерно 1000 нуклеотидов. Таким образом, процесс достаточно быстрый и происходит без многих ошибок.

     

    Рисунок 5: На этой анимации показано, как кольцевая бактериальная хромосома удваивается во время репликации ДНК. Сплошной красный круг и сплошной синий круг представляют две исходные нити ДНК, которые спарены вместе в бактериальной хромосоме. Репликация ДНК начинается в точке начала репликации. ДНК постепенно строится так, чтобы одновременно дополнять обе исходные нити ДНК (красные и синие точки обозначают новую ДНК, дополняющую исходные нити ДНК). Конечным результатом являются две бактериальные хромосомы, каждая из которых имеет одну «старую» и одну «новую» цепь ДНК. Вот почему процесс репликации ДНК называется полуконсервативный . Одна старая цепь сохраняется и соединяется с новой цепью в каждой молекуле ДНК.

     

    В репликации ДНК задействовано большое количество структурных белков и ферментов, каждый из которых играет решающую роль в этом процессе. Одним из ключевых игроков является фермент ДНК-полимераза , также известный как ДНК-пол, который добавляет нуклеотиды один за другим к растущей цепи ДНК, комплементарной матричной цепи. Добавление нуклеотидов требует энергии; эта энергия получается из нуклеозидтрифосфатов АТФ, ГТФ, ТТФ и ЦТФ. Как и АТФ, остальные НТФ (нуклеозидтрифосфаты) представляют собой высокоэнергетические молекулы, которые могут служить как источником нуклеотидов ДНК, так и источником энергии для запуска полимеризации. Когда связь между фосфатами «разорвана», высвобождаемая энергия используется для образования фосфодиэфирной связи между входящим нуклеотидом и растущей цепью. У прокариот известно три основных типа полимераз: ДНК pol I, ДНК pol II и ДНК pol III. В настоящее время известно, что ДНК pol III является ферментом, необходимым для синтеза ДНК; ДНК pol I является важным вспомогательным ферментом в репликации ДНК и наряду с ДНК pol II в первую очередь требуется для репарации.

    Откуда механизм репликации узнает, с чего начать? Оказывается, существуют определенные нуклеотидные последовательности, называемые точками начала репликации , где начинается репликация. У E. coli , , которая имеет один ориджин репликации на одной хромосоме (как и большинство прокариот), этот ориджин репликации имеет длину примерно 245 пар оснований и богат последовательностями АТ. Начало репликации распознается некоторыми белками, которые связываются с этим сайтом. Фермент под названием геликаза раскручивает ДНК, разрывая водородные связи между парами азотистых оснований. Для этого процесса необходим гидролиз АТФ. Когда ДНК раскрывается, образуются Y-образные структуры, называемые репликационными вилками . В начале репликации формируются две вилки репликации, которые расширяются в двух направлениях по мере репликации. Одноцепочечные связывающие белки покрывают одиночные нити ДНК возле вилки репликации, чтобы предотвратить скручивание одноцепочечной ДНК обратно в двойную спираль.

    ДНК-полимераза имеет два важных ограничения: она способна добавлять нуклеотиды только в направлении от 5′ к 3′ (новая цепь ДНК может удлиняться только в этом направлении). Ему также требуется свободная группа 3′-ОН, к которой он может добавлять нуклеотиды, образуя фосфодиэфирную связь между 3′-ОН-концом и 5′-фосфатом следующего нуклеотида. По сути, это означает, что он не может добавлять нуклеотиды, если свободная 3′-ОН группа недоступна. Тогда как он добавляет первый нуклеотид? Проблема решается с помощью праймера, обеспечивающего свободный конец 3′-ОН. Другой фермент, РНК праймаза синтезирует сегмент РНК длиной от пяти до десяти нуклеотидов, комплементарный матричной ДНК. Поскольку эта последовательность инициирует синтез ДНК, ее правильно называют праймером . Теперь ДНК-полимераза может удлинять этот РНК-праймер, добавляя один за другим нуклеотиды, комплементарные цепи матрицы.

     

    Рисунок 6: Первые компоненты репликации ДНК. Когда начинается репликация ДНК, ДНК-хеликаза, большой фермент, разделяет две нити ДНК, чтобы они могли действовать как шаблоны для репликации. Одноцепочечные связывающие белки связываются с каждой нитью, чтобы стабилизировать и предотвратить их преобразование в двойную спираль. Primase, РНК-полимераза, связывается с одноцепочечной ДНК и синтезирует короткий РНК-праймер в направлении от 5’ к 3’, который антипараллелен родительской цепи. Этот РНК-праймер позволяет ДНК-полимеразе начать репликацию ДНК. Топоизомераза связывается с двойной спиралью перед репликационной вилкой, чтобы предотвратить дополнительное скручивание, делая небольшие надрезы в одной из цепей ДНК. Авторы и права: Рао А. , Райан К. Флетчер С. и Таг А. Факультет биологии Техасского университета A&M.

     

    Вилка репликации движется со скоростью 1000 нуклеотидов в секунду. Топоизомераза предотвращает перекручивание двойной спирали ДНК перед вилкой репликации, когда ДНК раскрывается; он делает это, создавая временные зазубрины в спирали ДНК, а затем повторно запечатывая ее. Поскольку ДНК-полимераза может вытягиваться только в направлении от 5′ к 3′, а двойная спираль ДНК антипараллельна , на репликационной вилке возникает небольшая проблема. Две нити матричной ДНК имеют противоположную ориентацию: одна нить находится в направлении от 5′ к 3′, а другая ориентирована в направлении от 3′ к 5′. Только одна новая цепь ДНК, комплементарная 3′-5′-цепи родительской ДНК, может непрерывно синтезироваться по направлению к репликационной вилке. Эта непрерывно синтезируемая цепь известна как ведущая цепь . Другая цепь, комплементарная исходной ДНК с 5′ по 3′, отходит от вилки репликации в виде небольших фрагментов, известных как фрагментов Окадзаки , каждый из которых требует праймера для начала синтеза. Новые сегменты праймеров откладываются в направлении репликационной вилки, но каждый направлен в сторону от нее. (Фрагменты Окадзаки названы в честь японского ученого, который первым их обнаружил. Нить с фрагментами Окадзаки известна как отстающая цепь .)

    Ведущая цепь может быть удлинена из одного праймера, тогда как отстающая цепь нуждается в новом праймере для каждого из коротких фрагментов Окадзаки. Общее направление отстающей нити будет от 3′ к 5′, а ведущей нити от 5′ к 3′. Белок, называемый скользящим зажимом , удерживает ДНК-полимеразу на месте, пока она продолжает добавлять нуклеотиды. Скользящий зажим представляет собой кольцеобразный белок, который связывается с ДНК и удерживает полимеразу на месте. По мере синтеза РНК-праймеры заменяются ДНК. Праймеры удаляются экзонуклеазной активностью ДНК pol I, которая использует ДНК за РНК в качестве собственного праймера и заполняет пробелы, оставленные удалением нуклеотидов РНК, путем добавления нуклеотидов ДНК. Разрывы, которые остаются между вновь синтезированной ДНК (заменившей РНК-праймер) и ранее синтезированной ДНК, запечатываются ферментом ДНК 9.0098 лигаза , которая катализирует образование фосфодиэфирных связей между 3′-ОН-концом одного нуклеотида и 5′-фосфатным концом другого фрагмента.

    После того, как хромосома полностью реплицирована, две копии ДНК перемещаются в две разные клетки во время клеточного деления.

    Процесс репликации ДНК можно обобщить следующим образом:

    1. ДНК раскручивается в точке начала репликации.
    2. Хеликаза открывает репликационные вилки, образующие ДНК; они расширяются в обоих направлениях.
    3. Одноцепочечные связывающие белки покрывают ДНК вокруг вилки репликации, чтобы предотвратить перемотку ДНК.
    4. Топоизомераза связывается в области перед вилкой репликации, чтобы предотвратить суперспирализацию.
    5. Primase синтезирует РНК-праймеры, комплементарные цепи ДНК.
    6. ДНК-полимераза III начинает добавлять нуклеотиды к 3′-ОН-концу праймера.
    7. Продолжается удлинение как отстающей, так и лидирующей нити.
    8. РНК-праймеры удаляются экзонуклеазной активностью.
    9. Пробелы заполняются ДНК pol I путем добавления dNTP.
    10. Промежуток между двумя фрагментами ДНК запечатывается с помощью ДНК-лигазы, которая способствует образованию фосфодиэфирных связей.

     

    Рисунок 7: Анимация репликации ДНК. Двухцепочечная ДНК разделяется. ДНК pol III строит ДНК, комплементарную матричным цепям (цепям, которые были разделены). В этой анимации новая нить внизу является ведущей нитью и непрерывно реплицируется. В этой анимации новая нить наверху является отстающей нитью и построена из фрагментов Окадзаки. ДНК-лигаза восстанавливает разрывы между фрагментами Окадзаки на отстающей цепи, образуя неразорванную цепь ДНК.

    Фермент/белок Специфическая функция
    ДНК-пол I Удаляет РНК-праймер и заменяет его вновь синтезированной ДНК
    ДНК-пол III Основной фермент, добавляющий нуклеотиды в направлении 5′-3′
    Хеликаза Открывает спираль ДНК, разрывая водородные связи между азотистыми основаниями
    Лигаза Запечатывает промежутки между фрагментами Окадзаки, создавая одну непрерывную цепь ДНК
    Примасе Синтезирует РНК-праймеры, необходимые для начала репликации
    Скользящий зажим Помогает удерживать ДНК-полимеразу на месте при добавлении нуклеотидов
    Топоизомераза Помогает уменьшить нагрузку на ДНК при раскручивании, вызывая разрывы, а затем повторно запечатывая ДНК
    Одноцепочечные связывающие белки (SSB) Связывается с одноцепочечной ДНК, чтобы предотвратить обратную перемотку ДНК.

     

    Лабораторные инструкции

     

    Рис. 8: кусочков головоломки, которые можно использовать для построения ДНК и РНК.

     

    Структура ДНК и структура РНК

    1. Расположите части головоломки так, чтобы все части головоломки располагались стопками по типам (например, одна стопка для фосфатных групп, одна стопка для дезоксирибозы, одна стопка для гуанина и т. д.).
    2. Ответьте на вопросы 1–5 в разделе «Результаты и вопросы» раздела «Структура ДНК».
    3. Создайте восемь оснований ДНК: одно с аденином, одно с тимином, одно с гуанином и одно с цитозином.
    4. Создайте четыре основания РНК: одно с аденином, одно с урацилом, одно с гуанином и одно с цитозином.
    5. Ответьте на вопросы 6-8 в разделе «Результаты и вопросы» раздела «Структура ДНК».
    6. Соедините нуклеотиды ДНК друг с другом, чтобы сформировать последовательность: 5′-GTAC-3′
    7. Соедините нуклеотиды РНК друг с другом, чтобы сформировать последовательность: 5′-GUAC-3′
    8. Ответьте на вопросы 9-11 в разделе «Результаты и вопросы» раздела «Структура ДНК».
    9. Создайте комплементарную цепь ДНК к уже построенной последовательности ДНК и соедините их вместе.
    10. Ответьте на вопросы 12–17 в разделе «Результаты и вопросы» раздела «Структура ДНК».

     

    Репликация ДНК

    1. Создайте следующие нуклеотиды ДНК:
      • 4 нуклеотида адениновой ДНК
      • 4 нуклеотида ДНК тимина
      • 8 гуаниновых нуклеотидов ДНК
      • 8 нуклеотидов цитозиновой ДНК
    2. Создайте одну цепь ДНК со следующей структурой: 5′-AGCCTG-3′
    3. Создайте комплементарную цепочку ДНК к приведенной выше последовательности и соедините ее с молекулой ДНК, полученной на шаге 2.
    4. Ответьте на вопросы 1–6 в разделе «Результаты и вопросы» раздела «Репликация ДНК».
    5. Сегмент ДНК, который вы построили, является источником репликации. Presto-change-o! Теперь ты фермент геликаза! Делай то, что сделала бы геликаза.
    6. Ответьте на вопросы 7–9 в разделе «Результаты и вопросы» раздела «Репликация ДНК».
    7. Presto-change-o! Теперь вы фермент ДНК pol III (ДНК-полимераза, удлиняющая растущие нити ДНК во время репликации ДНК). Создайте новые молекулы ДНК, чтобы дополнить цепочки ДНК-матрицы, начиная с 5′-конца и заканчивая 3′-концом новых цепей (точно так же, как это делал бы ДНК pol III).
    8. Ответьте на вопросы 10–13 в разделе «Результаты и вопросы» раздела «Репликация ДНК».
    9. Разберите все части головоломки и верните их в коробку/сумку, откуда они взялись.

     

    Результаты и вопросы

     

    Структура ДНК и структура РНК

    1. Нуклеотиды ДНК содержат дезоксирибозу в качестве пентозного (5-углеродного) сахара, а нуклеотиды РНК содержат рибозу в качестве пентозного сахара. Сравните химические структуры, написанные на кусочках головоломки дезоксирибозы и рибозы. В чем разница между рибозой и дезоксирибозой?
    2. Подумайте над своим ответом на вопрос 1. Как вы думаете, что означает «дезокси-» в названии «дезоксирибоза»?
    3. Определите различные части базовой головоломки (есть 5 типов). Изучите химические структуры оснований, написанных на этих кусочках головоломки. Как вы думаете, почему основания ДНК и РНК часто называют «азотистыми основаниями»?
    4. Аденин и гуанин классифицируются как «пурины», а тимин, цитозин и урацил — как «пиримидины». Глядя на химические структуры, написанные на этих кусочках головоломки, какую закономерность вы заметили, которая отличает пурины от пиримидинов?
    5. Пары аденина с тимином в ДНК и с урацилом в РНК. Гуанин сочетается с цитозином как в ДНК, так и в РНК. Какое обобщение вы можете сделать о спаривании оснований и о том, являются ли основания пуринами или пиримидинами (например, пары пуринов с пуринами, пары пиримидинов с пиримидинами или пары пуринов с пиримидинами)?
    6. Сравните нуклеотиды ДНК с нуклеотидами РНК. Какие есть сходства?
    7. Сравните нуклеотиды ДНК с нуклеотидами РНК. Какие различия существуют?
    8. На изображении выше, показывающем нуклеотид ДНК, напишите 5′, чтобы показать 5′-сторону нуклеотида, и напишите 3′, чтобы показать 3′-сторону нуклеотида.
    9. Между нуклеотидами, которые вы соединили, образовались ковалентные связи. Эти ковалентные связи имеют особое название. Как называются эти облигации?
    10. Определите 5′-конец и 3′-конец цепи ДНК. Определите 5′-конец цепи РНК и 3′-конец цепи ДНК. Какой компонент нуклеотидов вы найдете на 5′-конце этих нитей?
    11. Чего не хватает в загадке ДНК?
    12. Сравните структуры ДНК и РНК. Какое новое различие проявляется в их структурах?
    13. Изучите две цепочки ДНК, соединенные вместе. Обратите внимание, что одна цепочка ДНК обращена от 5′ к 3′, а другая цепочка ДНК направлена ​​в обратном направлении. Как называется эта аранжировка?
    14. Две нити ДНК можно легко отделить друг от друга по основаниям (в отличие от других мест в головоломке, например, между фосфатами и основаниями). Почему это? Какие типы взаимодействий удерживают основания двух цепей ДНК вместе?
    15. Что такое водородные связи?
    16. Сколько водородных связей образуется в паре А-Т?
    17. Сколько водородных связей образуется в паре G-C?

     

    Репликация ДНК

    1. Заполните приведенную выше диаграмму следующими данными:
      • фос. = фосфатная группа
      • дезокси. = дезоксирибоза
      • А = аденин
      • Т = тимин
      • G = гуанин
      • C = цитоскне
      • 5′ — показать 5′-конец на обе нити ДНК
      • 3′ — показать 3′-конец на обе нити ДНК
    2. Две нити ДНК взаимодействуют основаниями с помощью водородных связей. Водородные связи слабые или сильные притяжения?
    3. Каким образом две нити ДНК могут разделиться в основаниях?
    4. Какова цель репликации ДНК?
    5. Где на молекуле ДНК начинается репликация ДНК?
    6. Какой фермент репликации ДНК разрывает водородные связи между азотистыми основаниями с образованием одноцепочечных участков ДНК?
    7. Что геликаза сделала с загадкой двухцепочечной ДНК?
    8. Какой фермент удлиняет растущую цепь ДНК во время репликации ДНК?
    9. К какому концу растущей молекулы ДНК фермент, названный в вопросе 8, может добавлять новые нуклеотиды к (5′ или 3′)?
    10. Какие черты фактического процесса репликации ДНК отсутствуют в этом воссоздании репликации ДНК? Есть как минимум три.
    11. Сможет ли ДНК pol III создать новую молекулу ДНК, как мы это сделали в этой головоломке воссоздания репликации ДНК? Поясните свой ответ.
    12. Почему репликация ДНК является полуконсервативным процессом и как мы показали это в воссоздании головоломки репликации ДНК?
    13. Сравните недавно реплицированные двойные нити ДНК в своих кусочках головоломки. Внимательно изучите последовательности ДНК и направления нитей. Две двойные нити идентичны? Приведите для объяснения последовательности ДНК с 5′- и 3′-направленностью.

     

    Attributions

    • Biology 2e от OpenStax распространяется под лицензией CC BY 4.0
    • Циркулярная репликация бактериальной хромосомы.
    • Изображение на обложке: DNA animation.gif от brian0918&#153 находится в общественном достоянии
    • Difference DNA RNA-EN.svg по файлу: Difference DNA RNA-DE.svg: Sponk / *translation: Sponk находится под лицензией CC BY-SA 3.0
    • Репликация Kuensting color.gif от Steven Kuensting находится под лицензией CC BY-SA 4.0

    Эта страница под названием 1.30: ДНК, РНК и репликация ДНК распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0, ее автором, ремиксом и/или куратором является Розанна Хартлайн.

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или страница
        Автор
        Розанна Хартлайн
        Лицензия
        CC BY-NC-SA
        Версия лицензии
        4,0
      2. Теги
          На этой странице нет тегов.

      9.2: Репликация ДНК — Биология LibreTexts

      1. Последнее обновление
      2. Сохранить как PDF
    3. Идентификатор страницы
      7023
      • OpenStax
      • OpenStax

      Когда клетка делится, важно, чтобы каждая дочерняя клетка получила идентичную копию ДНК. Это достигается за счет процесса репликации ДНК. Репликация ДНК происходит во время фазы синтеза или S-фазы клеточного цикла, прежде чем клетка вступает в митоз или мейоз.

      Выяснение структуры двойной спирали дало представление о том, как копируется ДНК. Напомним, что адениновые нуклеотиды сочетаются с тиминовыми нуклеотидами, а цитозин с гуанином. Это означает, что две нити дополняют друг друга. Например, цепь ДНК с последовательностью нуклеотидов AGTCATGA будет иметь комплементарную цепь с последовательностью TCAGTACT (рисунок \(\PageIndex{1}\)).

      Рисунок \(\PageIndex{1}\): Две цепи ДНК комплементарны, что означает, что последовательность оснований в одной цепи может быть использована для создания правильной последовательности оснований в другой цепи.

      Из-за комплементарности двух нитей наличие одной нити означает возможность воссоздания другой нити. Эта модель репликации предполагает, что две нити двойной спирали расходятся во время репликации, и каждая нить служит шаблоном, с которого копируется новая комплементарная нить (рис. \(\PageIndex{2}\)).

      Рисунок \(\PageIndex{2}\): Показана полуконсервативная модель репликации ДНК. Серым цветом обозначены исходные цепи ДНК, а синим — вновь синтезированная ДНК.

      Во время репликации ДНК каждая из двух цепей, составляющих двойную спираль, служит шаблоном, с которого копируются новые цепи. Новая цепь будет комплементарна родительской или «старой» цепи. Каждая новая двойная цепь состоит из одной родительской цепи и одной новой дочерней цепи. Это известно как полуконсервативная репликация. При образовании двух копий ДНК они имеют одинаковую последовательность нуклеотидных оснований и поровну делятся на две дочерние клетки.

      Репликация ДНК у эукариот

      Поскольку эукариотические геномы очень сложны, репликация ДНК представляет собой очень сложный процесс, в котором участвуют несколько ферментов и других белков. Он протекает в три основных этапа: инициация, элонгация и терминация.

      Напомним, что эукариотическая ДНК связана с белками, известными как гистоны, с образованием структур, называемых нуклеосомами. Во время инициации ДНК становится доступной для белков и ферментов, участвующих в процессе репликации. Как механизм репликации узнает, где начинается двойная спираль ДНК? Оказывается, существуют определенные последовательности нуклеотидов, называемые точками начала репликации, с которых начинается репликация. Определенные белки связываются с точкой начала репликации, в то время как фермент, называемый геликазой, раскручивает спираль ДНК. По мере раскрытия ДНК образуются Y-образные структуры, называемые репликационными вилками (рис. \(\PageIndex{3}\)). В начале репликации формируются две вилки репликации, которые расширяются в обоих направлениях по мере репликации. На эукариотической хромосоме существует несколько источников репликации, так что репликация может происходить одновременно из нескольких мест в геноме.

      Во время удлинения фермент, называемый ДНК-полимеразой, добавляет нуклеотиды ДНК к 3′-концу матрицы. Поскольку ДНК-полимераза может добавлять новые нуклеотиды только в конце остова, последовательность праймеров, которая обеспечивает эту отправную точку, добавляется с комплементарными нуклеотидами РНК. Позже этот праймер удаляют, а нуклеотиды заменяют нуклеотидами ДНК. Одна цепь, комплементарная родительской цепи ДНК, непрерывно синтезируется в направлении репликационной вилки, поэтому полимераза может добавлять нуклеотиды в этом направлении. Эта непрерывно синтезируемая цепь известна как ведущая цепь. Поскольку ДНК-полимераза может синтезировать ДНК только в направлении от 5′ к 3′, другая новая цепь собирается в короткие фрагменты, называемые фрагментами Окадзаки. Каждому из фрагментов Окадзаки для начала синтеза требуется праймер, состоящий из РНК. Цепь с фрагментами Окадзаки известна как отстающая нить. В ходе синтеза фермент удаляет РНК-праймер, который затем заменяется нуклеотидами ДНК, а промежутки между фрагментами заделываются ферментом, называемым ДНК-лигазой.

      Процесс репликации ДНК можно обобщить следующим образом:

      1. ДНК раскручивается в точке начала репликации.
      2. Новые основания добавляются к комплементарным родительским цепям. Одна новая прядь изготавливается непрерывно, а другая прядь изготавливается по частям.
      3. Удаляют праймеры, вместо праймеров помещают новые нуклеотиды ДНК, а основу запечатывают с помощью ДНК-лигазы.

      ART CONNECTION

      Рисунок \(\PageIndex{3}\): Репликационная вилка образуется путем открытия точки начала репликации, и геликаза разделяет нити ДНК. Синтезируется РНК-праймер, который удлиняется ДНК-полимеразой. На ведущей цепи ДНК синтезируется непрерывно, тогда как на отстающей цепи ДНК синтезируется короткими отрезками. Фрагменты ДНК соединяют с помощью ДНК-лигазы (не показано).

      Вы изолируете клеточный штамм, в котором соединение фрагментов Оказаки нарушено, и подозреваете, что произошла мутация в ферменте, обнаруженном на вилке репликации. Мутация какого фермента наиболее вероятна?

      Репликация теломер

      Поскольку эукариотические хромосомы линейны, репликация ДНК происходит в конце линии в эукариотических хромосомах. Как вы уже знаете, фермент ДНК-полимераза может присоединять нуклеотиды только в одном направлении. В ведущей цепи синтез продолжается до тех пор, пока не будет достигнут конец хромосомы; однако на отстающей цепи нет места для создания праймера для копируемого фрагмента ДНК на конце хромосомы. Это представляет проблему для клетки, потому что концы остаются непарными, и со временем эти концы становятся все короче, поскольку клетки продолжают делиться. Концы линейных хромосом известны как теломеры, которые имеют повторяющиеся последовательности, не кодирующие определенный ген. Как следствие, с каждым раундом репликации ДНК укорачиваются не гены, а теломеры. Например, у человека последовательность из шести пар оснований, TTAGGG, повторяется от 100 до 1000 раз. Открытие фермента теломеразы (рис. \(\PageIndex{4}\)) помогло понять, как поддерживаются концы хромосом. Теломераза прикрепляется к концу хромосомы, а на конце цепи ДНК добавляются основания, комплементарные матрице РНК. Как только матрица отстающей нити становится достаточно удлиненной, ДНК-полимераза теперь может добавлять нуклеотиды, комплементарные концам хромосом. Таким образом, концы хромосом реплицируются.

      Рисунок \(\PageIndex{4}\): Концы линейных хромосом поддерживаются действием фермента теломеразы.

      Теломераза обычно активна в зародышевых клетках, взрослых стволовых клетках и некоторых раковых клетках. За открытие теломеразы и ее действия Элизабет Блэкберн (Рисунок \(\PageIndex{5}\)) получила Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 2009 году.

      Рисунок \(\PageIndex{5}\): Элизабет Блэкберн , лауреат Нобелевской премии 2009 года, был ученым, открывшим, как работает теломераза. (кредит: посольство США, Стокгольм, Швеция)

      Теломераза неактивна во взрослых соматических клетках. Взрослые соматические клетки, которые подвергаются клеточному делению, по-прежнему имеют укороченные теломеры. По сути, это означает, что укорочение теломер связано со старением. В 2010 году ученые обнаружили, что теломераза может обратить вспять некоторые возрастные состояния у мышей, и это может иметь потенциал в регенеративной медицине. 1 В этих исследованиях использовались мыши с дефицитом теломеразы; у этих мышей наблюдается атрофия тканей, истощение стволовых клеток, недостаточность системы органов и нарушение реакции на повреждение тканей. Реактивация теломеразы у этих мышей вызвала удлинение теломер, уменьшение повреждения ДНК, обратимую нейродегенерацию и улучшение функционирования яичек, селезенки и кишечника. Таким образом, реактивация теломер может иметь потенциал для лечения возрастных заболеваний у людей.

      Репликация ДНК у прокариот

      Напомним, что прокариотическая хромосома представляет собой кольцевую молекулу с менее обширной спиральной структурой, чем у эукариотических хромосом. Эукариотическая хромосома линейна и сильно закручена вокруг белков. Хотя в процессе репликации ДНК есть много общего, эти структурные различия обусловливают некоторые различия в процессе репликации ДНК у этих двух форм жизни.

      Репликация ДНК чрезвычайно хорошо изучена у прокариот, в первую очередь из-за небольшого размера генома и большого количества доступных вариантов. Escherichia coli имеет 4,6 миллиона пар оснований в одной кольцевой хромосоме, и все они реплицируются примерно за 42 минуты, начиная с одного источника репликации и проходя по хромосоме в обоих направлениях. Это означает, что в секунду добавляется примерно 1000 нуклеотидов. Процесс идет намного быстрее, чем у эукариот. В таблице \(\PageIndex{1}\) приведены различия между репликациями прокариот и эукариот.

      Таблица \(\PageIndex{1}\): Различия между репликациями прокариот и эукариот
      Собственность Прокариоты Эукариоты
      Происхождение репликации Одноместный Несколько
      Скорость репликации 1000 нуклеотидов/с от 50 до 100 нуклеотидов/с
      Структура хромосом круговой линейный
      Теломераза Нет Подарок

      КОНЦЕПЦИЯ В ДЕЙСТВИИ

      Просмотрите руководство по репликации ДНК.

      Восстановление ДНК

      ДНК-полимераза может ошибаться при добавлении нуклеотидов. Он редактирует ДНК, проверяя каждую вновь добавленную базу. Неправильные базы удаляются и заменяются правильными, после чего полимеризация продолжается (Рисунок \(\PageIndex{6}\) и ). Большинство ошибок исправляются во время репликации, хотя, когда этого не происходит, используется механизм исправления несоответствия. Ферменты репарации несоответствия распознают ошибочно включенное основание и вырезают его из ДНК, заменяя правильным основанием (Рисунок \(\PageIndex{6}\) b ). В еще одном типе репарации, эксцизионной репарации нуклеотидов, двойная цепь ДНК раскручивается и разделяется, неправильные основания удаляются вместе с несколькими основаниями на 5′- и 3′-конце, и они заменяются путем копирования матрицы с помощью ДНК-полимеразы (Рисунок \(\PageIndex{6}\) с ). Эксцизионная репарация нуклеотидов особенно важна для коррекции димеров тимина, которые в первую очередь вызываются ультрафиолетовым светом. В димере тимина два нуклеотида тимина, соседствующие друг с другом на одной цепи, ковалентно связаны друг с другом, а не с комплементарными основаниями. Если димер не удалить и не восстановить, это приведет к мутации. Люди с дефектами в генах эксцизионной репарации нуклеотидов проявляют чрезвычайную чувствительность к солнечному свету и рано заболевают раком кожи.

      Рисунок \(\PageIndex{6}\): Вычитка с помощью ДНК-полимеразы (а) исправляет ошибки во время репликации. При восстановлении несоответствия (б) неправильно добавленная база обнаруживается после репликации. Белки восстановления несоответствия обнаруживают это основание и удаляют его из вновь синтезированной цепи под действием нуклеазы. Промежуток теперь заполнен правильно спаренной базой. Удаление нуклеотидов (с) восстанавливает димеры тимина. При воздействии УФ-излучения тимины, лежащие рядом друг с другом, могут образовывать димеры тимина. В нормальных клетках они вырезаются и замещаются.

      Исправлено большинство ошибок; в противном случае они могут привести к мутации, определяемой как постоянное изменение в последовательности ДНК. Мутации в генах репарации могут привести к серьезным последствиям, таким как рак.

      Резюме

      ДНК реплицируется полуконсервативным методом, в котором каждая из двух нитей родительской ДНК действует как матрица для синтеза новой ДНК. После репликации каждая ДНК имеет одну родительскую или «старую» цепь и одну дочернюю или «новую» цепь.

      Репликация у эукариот начинается с нескольких источников репликации, тогда как репликация у прокариот начинается с одного источника репликации. ДНК вскрывается ферментами, в результате чего образуется репликационная вилка. Primase синтезирует РНК-праймер для инициации синтеза ДНК-полимеразой, которая может добавлять нуклеотиды только в одном направлении. Одна цепь синтезируется непрерывно в направлении репликационной вилки; это называется ведущей нитью. Другая цепь синтезируется в направлении, противоположном репликационной вилке, на коротких участках ДНК, известных как фрагменты Оказаки. Эта нить известна как отстающая нить. После завершения репликации РНК-праймеры заменяются нуклеотидами ДНК, а ДНК запечатывается с помощью ДНК-лигазы.

      Концы хромосом эукариот представляют собой проблему, так как полимераза не может удлинить их без праймера. Теломераза, фермент со встроенной матрицей РНК, удлиняет концы, копируя матрицу РНК и удлиняя один конец хромосомы. Затем ДНК-полимераза может удлинить ДНК с помощью праймера. Таким образом, концы хромосом защищены. В клетках есть механизмы для восстановления ДНК, когда она повреждается или при репликации возникают ошибки. Эти механизмы включают репарацию несоответствия для замены нуклеотидов, которые связаны с некомплементарным основанием, и эксцизионную репарацию нуклеотидов, которая удаляет поврежденные основания, такие как димеры тимина.

      Art Connections

      Рисунок \(\PageIndex{3}\): Вы выделили клеточный штамм, в котором соединение фрагментов Оказаки нарушено, и подозреваете, что произошла мутация в ферменте, обнаруженном в репликационной вилке. Мутация какого фермента наиболее вероятна?

      Ответить

      Лигаза, так как этот фермент соединяет фрагменты Оказаки.

      Сноски

      1. 1 Mariella Jaskelioff, et al., «Реактивация теломеразы обращает вспять дегенерацию тканей у старых мышей с дефицитом теломеразы», ​​ Природа , 469 (2011):102–7.

      Глоссарий

      ДНК-лигаза
      фермент, катализирующий соединение фрагментов ДНК вместе
      ДНК-полимераза
      фермент, синтезирующий новую цепь ДНК, комплементарную матричной цепи
      спираль
      фермент, который помогает открывать спираль ДНК во время репликации ДНК, разрывая водородные связи
      отстающая прядь
      во время репликации 3′-5′-цепи, цепи, которая реплицируется короткими фрагментами и удалена от репликационной вилки
      ведущая прядь
      цепь, которая непрерывно синтезируется в направлении от 5′ к 3′, которая синтезируется в направлении репликационной вилки
      ремонт несоответствия
      форма репарации ДНК, при которой некомплементарные нуклеотиды распознаются, вырезаются и заменяются правильными нуклеотидами
      мутация
      постоянное изменение последовательности нуклеотидов генома
      нуклеотидная эксцизионная репарация
      форма репарации ДНК, при которой молекула ДНК раскручивается и разделяется в области повреждения нуклеотидов, поврежденные нуклеотиды удаляются и заменяются новыми нуклеотидами с использованием комплементарной цепи, а цепь ДНК повторно запечатывается и позволяет воссоединиться с комплементарной ей цепью.
      Фрагменты Окадзаки
      фрагменты ДНК, которые синтезируются короткими участками на отстающей цепи
      грунтовка
      короткий участок нуклеотидов РНК, необходимый для инициации репликации и обеспечения возможности связывания ДНК-полимеразы и начала репликации
      вилка репликации
      Y-образная структура, образующаяся при инициации репликации
      полуконсервативная репликация
      метод, используемый для репликации ДНК, при котором двухцепочечная молекула отделяется, и каждая цепь действует как матрица для синтеза новой цепи, поэтому полученные молекулы ДНК состоят из одной новой цепи нуклеотидов и одной старой цепи нуклеотидов.
      теломераза
      фермент, содержащий каталитическую часть и встроенную РНК-матрицу; он поддерживает теломеры на концах хромосом
      теломеры
      ДНК на концах линейных хромосом

      Авторы и ссылки

      • Саманта Фаулер (Клейтонский государственный университет), Ребекка Руш (Общественный колледж Сэндхиллс), Джеймс Уайз (Хэмптонский университет).