Какую роль играет в клетке молекулы днк: Зачем клетке так много ДНК?

Зачем клетке так много ДНК?

Сайт «Академгородок» 17 марта 2014 г.

На сегодняшний день это одна из фундаментальных проблем современной генетики. Не такая модная, как стволовые клетки, лечение рака или генная инженерия, но не менее интересная. Наш сегодняшний собеседник – заведующий лабораторией молекулярной генетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН д.б.н. Александр Вершинин.

– Александр Васильевич, какое исследование в данный момент больше всего привлекает Ваше внимание?

– Общая проблема, которой я интересуюсь уже много лет, – это существование в геноме эукариот избыточной генетической информации. Известно, что генетическая информация содержится в составе молекул ДНК, которые упакованы, соответственно, в хромосомы. У эукариот объем ДНК гораздо больше, чем нужно для количества генов, существующих в организмах. Еще в конце прошлого века, до начала массового секвенирования геномов, были сделаны оценки, показавшие, что для обеспечения наработки всех белковых молекул и контроля метаболических реакций у живых организмов необходимо от 50 до 100 тысяч генов. Позднее эти оценки были, в общем-то, подтверждены. Сейчас уже секвенированы геномы многих видов эукариот: человека, дрозофилы, мыши, арабидопсиса, риса, сахарной свёклы и других, относительно небольших по размеру геномов. В ходе исследований оказалось, что число генов, например, у дрозофилы составляет приблизительно 15-18 тысяч. У человека – около 35 тысяч, хотя наша организация намного сложнее, чем у дрозофилы.

Получается следующее: виды различаются примерно в 2-2,5 раза по числу генов, а по размерам геномов – уже на несколько порядков. Процент кодирующих участков, которые непосредственно отвечают за наработку белковых молекул, просто ничтожен, всего 1-2 %. Это означает, что огромная масса ДНК не кодирует никаких молекул.

Тут же возникают определенные вопросы: для чего нужно так много ДНК в клетке, участвует ли эта часть в регуляции активности кодирующих участков генов, выполняет ли какие-то другие функции, может быть, структурные, или она вообще просто существует сама по себе. На сегодняшний день это одна из фундаментальных проблем современной генетики. Не такая модная, как стволовые клетки, лечение рака или генная инженерия, но не менее интересная.

Вообще данная тема была поднята еще в 80-х годах прошлого века, когда только были проведены первые оценки. Сразу стало ясно: ДНК в клетках эукариот гораздо больше, чем необходимо для кодирования генетической информации. Несколько ученых, в их числе лауреат Нобелевской премии Фрэнсис Крик (прим. Ф. Крик вместе с Дж. Уотсоном открыли двойную спираль ДНК, за что и были удостоены премии Нобеля), выдвинули предположение, что основная часть ДНК, существующая в эукариотической клетке, – паразитическая, мусорная ДНК – не играет никакой роли в функционировании клетки. Смысл ее существования лишь в воспроизведении самой себя и передаче от клетки к клетке. Это была, так сказать, негативная точка зрения на функцию данной значительной части генома. Но поскольку большинство людей уверено в пользе каждого явления природы, многие ученые и сейчас пытаются найти какие-то функции, свойственные основной части генома, которая не участвует непосредственно в кодировании белковых молекул.

–Вы занимаетесь изучением данной проблемы в целом или есть какое-то одно направление работы?

– В состав вышеупомянутой паразитирующей ДНК входят очень разные по своей структуре и составу последовательности ДНК. Поскольку всё это многообразие изучать невозможно – по крайне мере для одной лаборатории – нужно выбирать какую-то свою проблему в этом массиве. В настоящий момент мы концентрируемся на молекулярной структуре центромер.

Центромеры – это районы хромосом, расположенные, как можно судить по названию, в центре или около центра хромосомы. Их основная функция сводится к обеспечению правильного расхождения хромосом во время деления клеток. Наборы хромосом, несущие генетическую информацию, должны расходиться по дочерним клеткам. Главное, чтобы дочерние клетки имели точно такое же количество и содержание хромосом, как и родительские. Этот процесс и контролируют центромеры.

Если смотреть на молекулярную структуру центромер, в частности, на состав ДНК, то окажется, что в них преобладают различные классы повторяющихся последовательностей, т. е. ДНК с непонятной функцией.

Молекулярная структура центромер очень хорошо изучена у риса, кукурузы и еще у некоторых видов растений. А вот у злаков, по крайней мере, у тех видов, которые культивируются в России, в частности, у пшеницы и ржи, центромеры практически не изучены. Именно на этом направлении мы сейчас и концентрируемся.

— Скажите, пожалуйста, какое практическое применение потенциально имеет данное исследование?

– Пшеница и рожь – это один из очень немногих примеров в живой природе, когда представители разных родов способны производить гибриды, причем гибриды жизнеспособные и дающие потомство. Например, чтобы скрестить рожь и ячмень, вам потребуется специальные приемы, придется культивировать зародыши на специальных средах и, как правило, всё равно, несмотря на титанические усилия, потомки получаются стерильные.

А вот рожь с пшеницей скрещиваются гораздо легче. Их гибриды, тритикале, широко используются в селекции, так как они объединяют в себе полезные свойства обеих культур. Пшеница хороша тем, что ее зерно обладает отличными хлебопекарными качествами. Кроме того, у пшеницы выше урожайность. Рожь в свою очередь более устойчива к неблагоприятным условиям: к колебаниям температуры, морозам и различным вредителям.

Одна из актуальнейших селекционных проблем на сегодняшний день – это введение генов устойчивости ото ржи в геном пшеницы. Для правильного их соединения необходимо правильное поведение хромосом во время гибридизации и последующих делений гибридных клеток. Следовательно, поскольку весь этот процесс контролируется центромерами, именно их нам нужно изучать.

– Александр Васильевич, с какими организациями Вы сотрудничаете в данной области?

– С прошлого года началось сотрудничество с ВАСХНИЛом. В частности, мы исследуем гибриды тритикале, полученные Петром Ивановичем Стёпочкиным, моим однокурсником, кстати. Сотрудники ВАСХНИЛа занимаются практической селекцией, а мы используем их линии и сорта.

– Что, на Ваш взгляд, является главной проблемой Вашей лаборатории и института в целом?

– Основная проблема сейчас – недостаток квалифицированных кадров. К сожалению, общий уровень подготовки студентов стал ниже, чем был в предыдущие годы. Кроме того, очень небольшое количество молодых людей хотят работать в институтах после окончания университета. И, на самом деле, их можно понять: аспирантская стипендия довольно маленькая, на нее крайне сложно жить. Поэтому студенты стараются устроиться на более прибыльную работу. Найти способных молодых специалистов, которые идут в науку, несмотря на все проблемы, очень трудно.

– Скажите, пожалуйста, насколько развитие молекулярной генетики в России соответствует мировому уровню?

– Дело в том, что науки в мире очень много, и она очень разная. В том числе и в западных странах. Безусловно, есть хорошие, высокоэффективные центры с квалифицированными кадрами, великолепным техническим снабжением, высоким рейтингом печатных работ, которые там выпускаются. В нашей области – молекулярной генетике растений – к таким центрам относятся Центр Джона Иннеса в Англии, Институт Макса Планка в Германии, много лабораторий в США, Японии. Вместе с тем, в этих же странах есть такие заштатные места, где работают сотрудники гораздо более низкого уровня квалификации и оборудование там намного хуже по качеству. Я точно знаю, так как сам много лет работал в Англии. Если мы хотим конкурировать, то нужно, конечно, ориентироваться на самые лучшие зарубежные научные центры.

Маргарита Артёменко

Источник: 

http://academcity.org/content/zachem-kletke-tak-mnogo-dnk

Код ДНК. Какие тайны скрывает главная молекула

https://ria.ru/20180425/1519327329.html

Код ДНК. Какие тайны скрывает главная молекула

Код ДНК. Какие тайны скрывает главная молекула — РИА Новости, 25.04.2018

Код ДНК. Какие тайны скрывает главная молекула

Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки — молекулярной… РИА Новости, 25.04.2018

2018-04-25T08:00

2018-04-25T08:00

2018-04-25T11:03

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/151929/99/1519299932_0:3:1036:586_1920x0_80_0_0_ae1f5ae266302690a67e801a71c02ac3.jpg

сша

кембридж (кембриджшир)

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2018

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img. ria.ru/images/151929/99/1519299932_127:0:911:588_1920x0_80_0_0_381610de299778df642577e98c84eb40.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сша, кембридж (кембриджшир), джеймс уотсон, френсис крик, университет джорджа вашингтона

Наука, США, Кембридж (Кембриджшир), Джеймс Уотсон, Френсис Крик, Университет Джорджа Вашингтона

МОСКВА, 25 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки — молекулярной биологии. Это открытие изменило очень многое в жизни человечества. РИА Новости рассказывает о свойствах молекулы ДНК и о том, почему она так важна.

Нобелевский лауреат: «когда в науку проникает капитализм, она умирает»

15 июля 2017, 10:15

Во второй половине XIX века биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, хотя и были уже сформулированы Грегором Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 года молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в Университет города Тюбингена (Германия), чтобы заняться научной работой. Он намеревался узнать, из каких веществ состоит клетка. Для экспериментов выбрал лейкоциты, которые легко получить из гноя.

Отделяя ядро от протоплазмы, белков и жиров, Мишер обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Он назвал эту молекулу нуклеином («нуклеус» на латыни — ядро).

Это соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин «нуклеиновая кислота». Его приставка «дезоксирибо» означает, что молекула содержит H-группы и сахара. Потом выяснилось, что на самом деле это соль, но название менять не стали.

В начале XX века ученые уже знали, что нуклеин представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), звенья сложены четырьмя азотистыми основаниями (аденином, тимином, гуанином и цитозином), а нуклеин содержится в хромосомах — компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках. Их способность передавать наследственные признаки продемонстрировал американский генетик Томас Морган в опытах на дрозофилах.

© Depositphotos.com / rob3000Структура ДНК

© Depositphotos.com / rob3000

Модель, объяснившая гены

А вот что делает в ядре клетки дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, долго не понимали. Считалось, что она играет какую-то структурную роль в хромосомах. Единицам наследственности — генам — приписывали белковую природу. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери, опытным путем доказавший, что генетический материал передается от бактерии к бактерии посредством ДНК.

Генетики: первый житель Британии был голубоглазым и темнокожим

7 февраля 2018, 12:26

Стало ясно, что ДНК нужно изучать. Но как? В то время ученым был доступен только рентген. Чтобы просвечивать им биологические молекулы, их приходилось кристаллизовать, а это сложно. Расшифровкой структуры белковых молекул по рентгенограммам занимались в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Работавшие там молодые исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик не располагали собственными экспериментальными данными по ДНК, поэтому они воспользовались рентгенограммами коллег из Королевского колледжа Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин.

Уотсон и Крик предложили модель структуры ДНК, точно соответствующую рентгенограммам: две параллельные цепочки закручены в правую спираль. Каждая цепочка складывается произвольным набором азотистых оснований, нанизанных на остов их сахаров и фосфатов, и удерживается водородными связями, протянутыми между основаниями. Причем аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Это правило называют принципом комплементарности.

Модель Уотсона и Крика объясняла четыре главных функции ДНК: репликацию генетического материала, его специфику, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

Ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Через десять лет им вместе с Морисом Уилкинсом присудили Нобелевскую премию по биологии (Розалинда Франклин скончалась в 1958 году от рака в возрасте 37 лет).

«Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии», — пишет Максим Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, исследователь ДНК, автор книги «Самая главная молекула».

ДНК как флешка: зачем записывать цифровые данные в геном

2 марта 2018, 08:00

Генетический код

Теперь оставалось узнать, как эта молекула действует. Было известно, что ДНК содержит инструкции для синтеза клеточных белков, которые выполняют всю работу в клетке. Белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) аминокислот. Причем аминокислот — всего двадцать. Виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Генетика утверждала, что эти последовательности задаются генами, которые, как тогда считали, служат первокирпичиками жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес автор теории Большого взрыва физик Георгий Гамов, сотрудник Университета Джорджа Вашингтона (США). Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген — это участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев — нуклеотидов. Поскольку каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований, то нужно просто выяснить, как четыре элемента кодируют двадцать. В этом состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах — своего рода «фабриках» внутри клетки. Чтобы приступить к синтезу белка, к ДНК приближается фермент, распознает определенный участок в начале гена, синтезирует копию гена в виде маленькой РНК (ее называют матричной), затем уже в рибосоме из аминокислот выращивается белок.

Выяснили также, что генетический код — трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода назвали кодоном. В рибосоме информация с мРНК считывается кодон за кодоном, последовательно. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как же выглядит шифр?

Загадки CRISPR-Cas: как создают генно-модифицированных животных

9 марта 2018, 08:00

На этот вопрос ответили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые доложили свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.

Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические исследования. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил сильно продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.

Структура, функция и влияние на здоровье

ДНК — это биологическая молекула, содержащая инструкции, необходимые организму для развития, выживания и размножения. Он присутствует во всех формах жизни на Земле и содержит генетический код каждого организма.

Практически каждая клетка тела содержит дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). Генетический код делает каждого человека уникальным. ДНК несет инструкции по развитию, росту, размножению и функционированию всего живого.

Различия в генетическом коде объясняют, почему у одного человека голубые глаза, а не карие, почему у птиц только два крыла или почему у жирафов длинная шея. Различия или мутации в генетическом коде также могут привести к восприимчивости к определенным заболеваниям.

Мало того, что почти все клетки в организме содержат ДНК, так еще и длина ДНК в одной клетке превышает 6,5 футов (футов), если ее распутать и растянуть из конца в конец.

В этой статье будут рассмотрены основы ДНК, из чего она состоит, как она работает и как влияет на здоровье.

Короче говоря, ДНК — это длинная молекула, содержащая уникальный генетический код каждого человека. Он содержит инструкции по созданию белков, необходимых для функционирования организма.

Инструкции ДНК передаются от родителя к ребенку, причем примерно половина ДНК ребенка происходит от отца, а половина — от матери.

ДНК представляет собой двухцепочечную молекулу, которая кажется скрученной, что придает ей уникальную форму, известную как двойная спираль.

Каждая из двух цепочек представляет собой длинную последовательность нуклеотидов. Это отдельные единицы ДНК, и они состоят из:

• молекула фосфата
• молекула сахара, называемая дезоксирибозой, содержащая пять атомов углерода
• азотсодержащая область

Существует четыре типа азотсодержащих областей, называемых основаниями, включая:

• аденин (12) 902 цитозин (C)
• гуанин (G)
• тимин (T)

Порядок этих четырех оснований образует генетический код, который является инструкциями для жизни.

Основания двух нитей ДНК слипаются, образуя форму лестницы. Внутри лестницы A прилипает к T, а G прикрепляется к C, чтобы создать «ступеньки». Длина лестницы формируется за счет сахарной и фосфатной групп.

Каждая длина ДНК, кодирующая определенный белок, называется геном. Например, один ген кодирует белок инсулин, гормон, который помогает контролировать уровень сахара в крови. У людей около 30 000 генов, хотя оценки разнятся.

Считается, что только около 1% ДНК состоит из генов, кодирующих белки. Ученые меньше знают о функциях оставшихся 99% ДНК, но считают, что они участвуют в регуляции транскрипции и трансляции.

Хромосома 1 является самой крупной и содержит около 2800 генов. Самая маленькая хромосома — это 22-я хромосома, содержащая около 750 генов.

Большая часть ДНК находится в ядрах клеток, а некоторые существуют в митохондриях, которые являются электростанциями клеток.

Из-за того, что у людей так много ДНК, а ядра такие маленькие, ДНК нужно упаковывать невероятно аккуратно.

Петли ДНК, спираль и обертка вокруг белков, называемых гистонами. В этом свернутом состоянии ДНК называется хроматином.

Хроматин далее конденсируется в процессе суперспирализации и упаковывается в структуры, называемые хромосомами. Эти хромосомы образуют знакомую форму «X».

Каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК. У человека 23 пары хромосом или всего 46 хромосом. Другие виды имеют другие номера. Например, у плодовых мушек 8 хромосом, а у голубей 80 хромосом.

Создание белка

Гены создают белок в два основных этапа, в том числе:

• Транскрипция: Код ДНК дублируется в информационную РНК (мРНК). РНК — это копия ДНК, но обычно она одноцепочечная. Еще одно отличие состоит в том, что РНК не содержит основания тимина (Т). В РНК урацил (U) заменяет тимин (T).
• Перевод: мРНК транслируется в аминокислоты с помощью транспортной РНК (тРНК).

мРНК предоставляет информацию о конкретной аминокислоте через трехбуквенные участки, называемые кодонами. Каждый кодон кодирует определенную аминокислоту или строительный блок белка. Например, кодон GUG кодирует аминокислоту валин.

Существует 20 возможных аминокислот.

Теломеры

Теломеры представляют собой участки повторяющихся нуклеотидов на концах хромосом.

Они защищают концы хромосомы от повреждения или слияния с другими хромосомами.

Ученые сравнивают их с пластиковыми наконечниками на шнурках, которые не дают шнуркам изнашиваться.

По мере взросления человека эта защитная область неуклонно уменьшается. Каждый раз, когда клетка делится и ДНК реплицируется, теломеры становятся короче.

У всех людей ДНК со временем деградирует, вызывая старение.

Однако иногда последовательность ДНК человека может изменяться случайным образом. Это называется мутацией. Определенные мутации в генетическом коде человека могут привести к развитию различных заболеваний или состояний.

В качестве альтернативы человек может унаследовать ген, вызывающий проблемы со здоровьем. Факторы окружающей среды могут влиять на то, как проявляются эти мутировавшие гены.

Повреждение структуры ДНК может происходить различными путями. Сюда входят случаи, когда:

• основания соединяются в неправильном порядке после репликации
• отсутствует пара оснований
• имеется лишняя пара оснований
• имеется нарушение репликации или рекомбинации ДНК
• имеется воздействие факторов окружающей среды такие как радиация или тяжелые металлы
• происходит мутация в процессе восстановления поврежденной ДНК.
• изменение количества или структуры хромосом

Болезни или состояния здоровья могут быть результатом повреждения только одного гена, например, муковисцидоза, или повреждения нескольких частей ДНК человека, например, рака. Другие примеры включают:

• синдром Дауна
• аутоиммунные состояния
• хронические воспалительные состояния
• нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Гентингтона

Вот несколько распространенных вопросов о ДНК.

Кто открыл ДНК?

Открытие ДНК приписывают швейцарскому ученому Фридриху Мишеру, который впервые выделил ДНК из гнойных клеток человека в конце 1860-х годов.

Какие существуют типы ДНК?

Существует множество типов ДНК, каждый из которых различается в зависимости от своей конкретной структуры. Наиболее распространенным является B-ДНК, но некоторые другие типы, обнаруженные в геноме, включают A-ДНК, H-ДНК и Z-ДНК.

Что такое репликация ДНК?

Репликация ДНК — это процесс, происходящий при копировании ДНК в клетках. Это помогает гарантировать, что каждая новая клетка имеет свой собственный полный геном во время клеточного деления.

Можно ли вылечить генетические заболевания?

Врачи могут лечить только симптомы состояний, вызванных генетической мутацией. Тем не менее, исследователи постоянно работают над разработкой типов генной терапии, которые могут помочь остановить прогрессирование болезни. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило некоторые препараты для генной терапии, в то время как другие проходят клинические испытания.

ДНК — это молекула, присутствующая в большинстве клеток и содержащая уникальный генетический код каждого человека. Он отвечает за кодирование белков, необходимых для роста и развития клеток.

Хромосомы представляют собой плотно закрученные нити ДНК. Гены — это участки ДНК, которые кодируют отдельные белки. ДНК также несет важную генетическую информацию, необходимую для выживания и функционирования всех форм жизни на Земле.

Иными словами, ДНК является генеральным планом жизни на Земле и дает всем живым организмам уникальный генетический код. Когда что-то в этом плане дает сбой, могут возникнуть болезни и проблемы со здоровьем.

Что такое ДНК? Резюме, структура и значение

Почему ДНК так важна? Проще говоря, ДНК содержит инструкции, необходимые для жизни.

Код в нашей ДНК дает указания о том, как производить белки, жизненно важные для нашего роста, развития и общего состояния здоровья.

Продолжайте читать, чтобы узнать больше о структуре ДНК, о том, что она делает и почему это так важно.

ДНК означает дезоксирибонуклеиновую кислоту. Он содержит единицы биологических строительных блоков, называемых нуклеотидами.

ДНК является жизненно важной молекулой не только для человека, но и для большинства других организмов. ДНК содержит наш наследственный материал и наши гены, то, что делает нас уникальными.

Набор нуклеотидов образует молекулу ДНК. Каждый нуклеотид содержит три компонента:

• сахар
• фосфатную группу
• азотистое основание

Сахар в ДНК называется 2-дезоксирибозой. Эти молекулы сахара чередуются с фосфатными группами, составляя «костяк» цепи ДНК.

К каждому сахару в нуклеотиде присоединено азотистое основание. В ДНК есть четыре различных типа азотистых оснований. Они включают:

• аденин (A)
• цитозин (C)
• гуанин (G)
• тимин (T)

Две нити ДНК образуют трехмерную структуру, называемую двойной спиралью. На иллюстрации ДНК выглядит как спиральная лестница, в которой пары оснований являются ступенями, а сахаро-фосфатные остовы — ногами.

Кроме того, стоит отметить, что ДНК в ядре эукариотических клеток является линейной, а это означает, что концы каждой нити свободны. В прокариотической клетке ДНК образует кольцевую структуру.

ДНК содержит инструкции, необходимые организму для роста, развития и размножения. Эти инструкции существуют в последовательности пар нуклеотидных оснований.

ДНК помогает вашему телу расти

Ваши клетки считывают этот код по три основания за раз, чтобы генерировать белки, необходимые для роста и выживания. Последовательность ДНК, содержащая информацию для создания белка, называется геном.

Каждая группа из трех оснований соответствует определенным аминокислотам, которые являются строительными блоками белков. Например, пары оснований T-G-G определяют аминокислоту триптофан, а пары оснований G-G-C определяют аминокислоту глицин.

Некоторые комбинации, такие как T-A-A, T-A-G и T-G-A, также указывают на конец последовательности белка. Это говорит клетке не добавлять больше аминокислот к белку.

Белки содержат различные комбинации аминокислот. При соединении в правильном порядке каждый белок имеет уникальную структуру и функцию в вашем теле.

Как перейти от кода ДНК к белку?

Во-первых, две цепи ДНК разделились. Затем специальные белки в ядре считывают пары оснований в цепи ДНК, чтобы создать промежуточную молекулу-мессенджер.

Этот процесс создает информационную молекулу РНК (мРНК). мРНК представляет собой другой тип нуклеиновой кислоты. Он выходит за пределы ядра, служа сигналом для клеточного механизма, который строит белки.

На втором этапе специализированные компоненты клетки считывают сообщение мРНК по три пары оснований за раз и работают над сборкой белка, аминокислота за аминокислотой. Этот процесс называется переводом.

Полный набор вашей ДНК называется вашим геномом. Он содержит примерно 3 миллиарда оснований, 20 000 генов и 23 пары хромосом.

Вы наследуете половину ДНК от отца и половину от матери. Эта ДНК исходит из спермы и яйцеклетки соответственно.

Гены составляют очень небольшую часть вашего генома — всего 1 процент. Остальные 99 процентов помогают регулировать такие вещи, как когда, как и в каком количестве ваш организм вырабатывает белки.

Ученые все больше и больше узнают об этой «некодирующей» ДНК.

Повреждения ДНК и мутации

Код ДНК подвержен повреждениям. По оценкам, ежедневно в каждой из наших клеток происходят десятки тысяч случаев повреждения ДНК. Повреждение может произойти из-за ошибок в репликации ДНК, свободных радикалов и воздействия УФ-излучения.

В ваших клетках есть специальные белки, которые могут обнаруживать и восстанавливать многие случаи повреждения ДНК. Существует по крайней мере пять основных путей репарации ДНК.

Мутации — это необратимые изменения в последовательности ДНК. Изменения в коде ДНК могут негативно повлиять на то, как организм вырабатывает белки.

Если белок не работает должным образом, могут развиться заболевания. Некоторые заболевания, возникающие из-за мутаций в одном гене, включают кистозный фиброз и серповидноклеточную анемию.

Мутации также могут привести к развитию рака. Например, если гены, кодирующие белки, участвующие в клеточном росте, мутируют, клетки могут бесконтрольно расти и делиться. Некоторые мутации, вызывающие рак, передаются по наследству, в то время как другие развиваются под воздействием канцерогенов, таких как ультрафиолетовое излучение, химические вещества или сигаретный дым.

Но не все мутации плохи. Некоторые из них безвредны, а другие способствуют разнообразию нашего вида.

Изменения, происходящие не менее чем у 1 процента населения или более, называются полиморфизмами. Примерами некоторых полиморфизмов являются цвет волос и глаз.

ДНК и старение

Невосстановленные повреждения ДНК могут накапливаться с возрастом, способствуя ускорению процесса старения.

Большую роль в повреждении ДНК, связанном со старением, могут играть повреждения, вызванные свободными радикалами. Однако одного этого механизма повреждения может быть недостаточно для объяснения процесса старения. Также могут быть задействованы несколько факторов.

Одна из теорий о том, почему с возрастом накапливаются повреждения ДНК, связана с эволюцией. Считается, что повреждения ДНК восстанавливаются более точно, когда мы находимся в репродуктивном возрасте и у нас есть дети. После того, как мы прошли свой пик репродуктивного возраста, процесс восстановления естественным образом замедляется.

Другая часть ДНК, которая может участвовать в старении, — это теломеры. Теломеры — это участки повторяющихся последовательностей ДНК на концах ваших хромосом. Они помогают защитить ДНК от повреждений, но они также укорачиваются с каждым раундом репликации ДНК.

Исследования связывают укорочение теломер с процессом старения. Некоторые факторы образа жизни, такие как ожирение, воздействие сигаретного дыма и психологический стресс, также могут способствовать укорочению теломер.

ДНК присутствует в наших клетках. Точное расположение его зависит от типа клетки.

Эукариотические клетки

Люди и многие другие организмы имеют эукариотические клетки. Это означает, что их клетки имеют мембраносвязанное ядро ​​и несколько других мембраносвязанных структур, называемых органеллами.

В эукариотической клетке ДНК находится внутри ядра. Небольшое количество ДНК находится также в органеллах, называемых митохондриями, которые являются электростанциями клетки.

Поскольку пространство внутри ядра ограничено, тело конденсирует ДНК в пакеты. Существует несколько различных этапов упаковки. Конечными продуктами являются структуры, которые мы называем хромосомами.

Прокариотические клетки

Такие организмы, как бактерии, являются прокариотическими клетками. Эти клетки не имеют ядра или органелл. В прокариотических клетках ДНК находится в середине клетки, называемой нуклеоидом, плотно свернутой спиралью.

Что происходит, когда ваши клетки делятся?

Клетки вашего тела делятся в ходе нормального процесса роста и развития. Каждая новая клетка должна иметь полную копию ДНК, когда это происходит.

Для этого ваша ДНК должна пройти процесс, называемый репликацией.