Исправляя А-Т на Г-Ц. Создан инструмент корректирования генома по буквам

Грубо говоря, жизнь — это воспроизведение неточно самокопирующихся систем. И неточность тут так же важна, как и копирование: ошибки наследования делают живые организмы разными, а значит дают кому-то из них шанс на «апгрейд» приспособленности к условиям окружающего мира, постоянно подбрасывая эволюции новый материал для отбора. Но то, что хорошо для живого в целом, не всегда хорошо для конкретного организма — особенно если он обременён разумом и амбициями.

Изменчивость, в особенности мутационная, частенько наделяет нас помимо нашей невыносимой неповторимости ещё и некоторыми наследственными заболеваниями. Особенно заметно это на примере точечных мутаций, которыми в основном и отличаются друг от друга наши геномы.

Перед тем, как продолжить, давайте устроим себе короткий экскурс в молекулярную биологию. Каждая из двух цепей спирали ДНК состоит из нуклеотидов. Самая важная для хранения информации часть нуклеотида — его азотистое основание. Всего этих оснований четыре штуки: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Эти основания из двух разных цепей развёрнуты к центру двойной спирали, где аденин дополняет тимин (и наоборот), образуя с ним пару А-Т; подобные же отношения связывают и гуанин с цитозином, формирующих пару Г-Ц. Именно этой азбукой и записывается информация об аминокислотной последовательности всех белков нашего организма.

В коллаже использованы иллюстрации chromatos / Фотодом / Shutterstock

Из-за самых разных факторов — от обычного теплового движения до рентгеновского излучения и веществ-мутагенов — основания могут отрываться или изменяться химически. Обычно клеточная ремонтная бригада — система репарации — отлично справляется со своей работой и быстро восстанавливает повреждённое или оторванное основание, используя в качестве шаблона вторую, комплементарную цепь. Однако время от времени ферменты системы репарации допускают ошибки. Как результат — в геноме происходят точечные замены оснований. Из-за них и возникают хорошо известные генетикам однонуклеотидные полиморфизмы или SNP (сокр. от single nucleotide polymorphism) — «однобуквенные» различия между последовательностями нуклеотидов у отдельных индивидуумов. Именно на их долю приходится 90% наших генетических отличий друг от друга.

Подавляющая часть точечных мутаций никак не сказывается на добром здравии организма. Большинство из них приходится на эгоистичные и повторяющиеся последовательности генома, которых у нас абсолютное большинство. Кроме того, наш генетический код триплетен, то есть каждая аминокислота кодируется тремя буквами-нуклеотидами и вырожден — то есть каждой аминокислоте соответствует набор из нескольких триплетов. Как следствие, далеко не каждая нуклеотидная замена приводит к аминокислотной замене в структуре белка. И, естественно, не любая аминокислотная замена приведёт к полной поломке белка или драматическому изменению его активности. Но если такая мутация всё-таки влияет на функциональность белка — последствия могут быть самыми серьёзными.

Взять ту же самую серповидно-клеточную анемию, (да-да, ту самую, что помимо кучи проблем придаёт своим носителям ещё и устойчивость к малярии). У её невезучих обладателей в седьмом кодоне гена β-глобина аденин заменён на тимин. Единичная А-Т мутация приводит к тому, что глутаминовая кислота, стоящая в 7-м положении гемоглобина, меняется на валин. Молекулы такого дефектного гемоглобина — его называют гемоглобин S или HbS — легко слипаются друг с другом, образуя длинные тяжи, искажающие форму эритроцитов. Такие серповидные эритроциты живут намного меньше своих нормальных двояковогнутых братьев, практически неспособны переносить кислород, а также полностью теряют свою упругость, из-за чего-то и дело застревают в мелких капиллярах, приводя к их закупорке.

Серповидно-клеточная анемия — самый распространённый, но, к несчастью, не единственный пример наследственного заболевания связанного с точечными мутациями. С однонуклеотидными мутациями ассоциирован ещё множество других наследственных заболеваний, включая целый набор анемий, некоторые формы болезней Альцгеймера и Паркинсона, и даже такие чудовищные, но, к счастью, сравнительно редкие патологии, как прогерия (преждевременное старение) и фатальная семейная бессонница.

Поскольку все эти заболевания связаны с точечными мутациями в единичных генах, исправив сломанный ген, мы можем исправить и проблему, вылечив пациента или как минимум существенно облегчив его положение. Только для этого нам нужен специальный эффективный редактор азотистых оснований, способный работать в живом человеке.

На этом месте наш просвещённый читатель наверняка воскликнет: А чего тут изобретать-то! У нас же есть CRISPR-Cas9! И будет по-своему прав. Известнейшая ферментная система, о которой сейчас не говорит только ленивый, действительно в большинстве случаев может исправлять точечные мутации. Но делает она это довольно рискованно — разрезая спираль ДНК по обеим цепям.

Single-molecule movie of DNA search and cleavage by CRISPR-Cas9. pic.twitter.com/3NQxmbvzJF

— hnisimasu (@hnisimasu) November 10, 2017

Такое серьезное повреждение ДНК активирует сразу две системы репарации ДНК. Первая — система гомологичной рекомбинации. Она восстанавливает целостность ДНК, используя в качестве образца неповреждённую последовательность, максимально похожую на повреждённую. При этом мы можем подсунуть клетке в качестве шаблона нужную нам, отредактированную последовательность, и она восстановит разорванный участок так, как нам это нужно. Вот, собственно, чего мы добиваемся. Но тут всё не заканчивается — параллельно пойдёт крайне вредный для нас процесс негомологичного соединения концов, во время которого края разорванной ДНК будут соединены друг с другом случайным образом. При этом могут быть слиты воедино вообще, никак друг с другом не связанные куски ДНК, что приведёт к перетасовке фрагментов ДНК между хромосомами.

Конечно, тут клетку можно понять — двуцепочечный разрыв ДНК — дело серьёзное, и нужно срочно принимать какие-то меры, пусть даже и рискованные. Но нас с вами этот опасный побочный процесс совсем не радует, тем более что задача у нас скромная — всего-то заменить один нуклеотид на другой. Может быть здесь можно обойтись и без двуцепочечных разрывов? Определённо, можно.

В конце этого ноября команда гарвардских исследователей заявила, что их многолетняя работа наконец увенчалась успехом — они создали с редактор азотистых оснований успешно и безопасно исправляющий пару А-Т на Г-Ц.

Тут сам собой возникает вопрос: а с чего это исследователи взялись именно за эту нуклеотидную пару? Не вдаваясь в унылые биохимические подробности, скажу, что химические особенности азотистых оснований делают особенно лёгким именно превращение цитозина в тимин. Это происходит сразу за счёт двух химических реакций — дезаминирования цитозина до урацила и дезаминирования очень распространённого в ДНК 5-метилцитозина до тимина (особенно дотошные читатели могут изучить подробности этих превращений в классическом обзоре).

В коллаже использованы иллюстрации chromatos / Фотодом / Shutterstock

По этим причинам, конверсия цитозина в тимин стала настоящий горячей точкой мутагенеза — каждый день в каждой клетке нашего тела от 100 до 500 цитозинов спонтанно превращаются в тимины. Целых 48% всех SNP-патологий человека возникают по причине превращения пары Г-Ц в А-Т! И, соответственно, могут быть исправлены обратной конверсией. Поэтому безопасный и надёжный молекулярный редактор, переписывающий А-Т в Г-Ц — давняя и вожделенная мечта учёных и врачей-генетиков.

Для создания белка-редактора был использован традиционный для биоинженерии подход. Две белковых последовательности соединили вместе гибким переходником в химерную конструкцию. За основу был взят фермент аденин-деаминаза TadA кишечной палочки, умеющий отрезать аминогруппу от азотистого основания аденина. К нему через гибкий переходник длиной в пару десятков аминокислотных остатков пришили уже знакомую нам Cas9, только лишённую каталитической функции. Такая версия Cas9, так же как и нормальная версия нуклеазы, распознаёт место своей посадки на ДНК с помощь гидовой-РНК, но ни на какие двуцепочечные разрывы не способна, поэтому её обозначают dCas9 (от dead — мёртвый). Задумка учёных была довольно очевидна — dCas9 наводится на место редактирования гидовой РНК, притаскивая с собой аденин-деаминазу. Деаминаза отщепляет от аденина из А-Т пары аминогруппу, превращая его в азотистое основание инозин. В норме инозин не встречается в ДНК, и распознаётся системами репарации как гуанин. Таким образом мы получаем некомплиментарную пару И~Т, которая в ходе репарации и следующего раунда репликации меняется на традиционную и желаемую нами Г-Ц.

Изображение: Анатолий Лапушко / chrdk.

Нужно признать, что большинство ферментов, связанных вместе и ставших частью химеры, стремительно снижают свою активность. Не обошла эта судьба и нашу деаминазу. Биоинженерная конструкция работала очень плохо, поэтому для её совершенствования было проведено множество раундов искусственной эволюции. Для этого учёные вносили различные варианты генов белка-редактора в культуру бактерий, выращиваемых на среде с антибиотиком. При этом у бактерий так же были гены устойчивости к антибиотикам, но они были почти полностью заблокированы однонуклеотидными мутациями. По задумке ушлых учёных — чем активнее работала белковая химера-редактор, тем большее преимущество получала её бактерия-носитель, вновь активируя с её помощью жизненно необходимые гены резистентности к антибиотику. Так, отобрав самые быстро растущие колонии бактерий, из них можно было выделить гены наиболее эффективных белков-редакторов.

Таким манером примерно за год неутомимые гарвардские учёные вместе со своими одноклеточными коллегами создали аж несколько десятков белков-редакторов, каждый — со своими особенностями работы. Оставалось лишь выбрать тот, что больше всего подходил для работы на человеческих клетках и проверить его в действии. Это было сделано на культурах клеток человека, в которых полученная система бойко исправляла однонуклеотидные мутации, ответственные за развитие наследственного гемохроматоза и персистенции фетального гемоглобина с эффективностью 28% и 29%. На первый взгляд, эти цифры не слишком впечатляют, даже в сравнении с предыдущими достижениями гарвардской команды. Но главное другое — ни одним из методов не удалось выявить случаев ложного срабатывания редактора. То есть молекулярный механизм оказался ещё и точным — по-видимому, в корректируемые матрицы не была внесена ни одна новая мутация. Всё это говорит о крайней безопасности метода, и делает его предпочтительным для решения медицинских задач, связанных с исправлением точечных генных полиморфизмов.

Так уж получилось, что жизнь может преуспеть лишь постоянно изменяя свою форму. В дикой надежде угадать нужды завтрашнего дня эволюция создаёт тысячи генных вариантов без оглядки на цену, которую, возможно, придётся заплатить их носителям. Единственная нуклеотидная замена в неподходящем месте легко перечеркивает наши планы, здоровье и саму жизнь. Но времена меняются. Прямо сейчас создаются фантастические молекулярные инструменты, которые очень скоро позволят обжаловать даже самые суровые генетические приговоры.

 Дмитрий Лебедев

Гуанин и цитозин, определение — Справочник химика 21

    Межмолекулярные водородные связи образуются только между определенными парами производных пиримидина и пурина, которые называются комплементарными парами. Такими комплементарными парами являются урацил—аденин, тимин—аденин и цитозин—гуанин (рис. 103). [c.716]

    Согласно гипотезе Уотсона — Крика, четыре основания — аденин, ТИМИН, гуанин -и цитозин, обозначаемые соответственно буквами А, Т, О и С, — расположены в определенной последовательности в одной из [c.456]


    В ДНК две спирали связаны друг с другом через определенные интервалы при помощи водородных связей. Изучение молекулярных моделей показало, что водородные связи могут образоваться лишь между аденином и тимином и между гуанином и цитозином водородные связи между другими парами оснований не позволят им разместиться в структуре двойной спирали. В соответствии с этим представлением отношения аденин тимин и гуанин цитозин равны 1 1. 
[c.1063]

    РНК исследовались методом рентгеноструктурного анализа с целью установления того, имеют ли их полинуклеотидные цепи спиралевидную форму, аналогичную ДНК, но до настоящего времени определенных выводов сделать не удалось из-за отсутствия однородных образцов кристаллической РНК. Однако дрожжевую транспортную РНК удалось очистить и получить в кристаллическом состоянии. Получены хорошие рентгенограммы этого вещества, и они оказались чрезвычайно сходными с теми, которые дает ДНК таким образом, эти две структуры должны быть близкими. В соответствии с этим вероятное строение дрожжевой транспортной РНК должно быть таким, при котором каждая полинуклеотидная цепочка сложена вдвое по всей длине и скручена таким образом, что образует двойную спираль. Две половины цепи РНК соответствуют, следовательно, комплементарным цепям ДНК. Не вызывает сомнения, что спиральная структура поддерживается за счет водородных связей между парами оснований аденин — урацил и гуанин — цитозин (партнеры, образующие такую пару, находятся в разных половинах цепи). В месте перегиба цепи имеется несколько неспаренных оснований, и небольшой хвост неспаренных оснований имеется на одном из концов цепи. В этом состоит главное отличие спиральной конфигурации дрожжевой транспортной РНК от спиральной конфигурации ДНК. Дифракционная картина, полученная при рентгеноструктурном исследовании РНК из других источников, сходна с дифракционной картиной, полученной при исследовании дрожжевой транспортной РНК следовательно, спиральная конфигурация присуща, по-видимому, многим формам РНК. [c.142]

    Полимерные молекулы ДНК состоят из расположенных в определенных последовательностях остатков четырех типов дезоксирибонуклеотидов, в которые в качестве углеводного компонента входит дезоксирибоза, а гетероциклическими основаниями являются аденин, гуанин, цитозин и тимин  [c.443]

    Нуклеиновые кислоты содержатся в каждой живой клетке. ДНК служит носителем генетической информации. Это обусловлено тесной связью между двумя витками спиралей нуклеиновых кислот, которая основана на очень специфических водородных связях между адениновым (А) остатком одного витка и тиминовым (Т) остатком другого витка, который расположен строго напротив первого, а также между цитозиновым (Ц) остатком одного витка и гуаниновым (Г) остатком другого. Такое образование пар абсолютно специфично аденин не может образовывать мультивалентные водородные связи с гуанином или цитозином, а цитозин не может образовывать связи с тимином или аденином. Изумительно, что вся наследственность и эволюция зависят от двух групп водородных связей Генетический код для синтеза определенной аминокислоты обус- [c.578]

    Определенные основания в ДНК могут подвергаться изменениям под действием алкилирующих агентов например, диметилсульфат (рис. 30-5), обладающий высокой реакционной способностью, метилирует остатки гуанина. В результате образуется О-метилгуанин (рис. 30-7), который не способен спариваться с обычным партнером гуанина цитозином. Как у бактерии, так и в животных тканях имеются ферменты, которые специфически удаляют О-метилгуанин и заменяют его на нормальный гуанин. И в этом случае репарация осуществляется по механизму разрезал-залатал-зашил , сходному с тем, который показан на рис. 30-4. [c.968]

    Здесь видно, как из одной молекулы ДНК могут образоваться две новые, совершенно тождественные по своей структуре молекулы. В самом деле, после расхождения цепей к основаниям одиночных цепей из окружающей среды присоединяются комплементарно соответствующие основания (или нуклеотиды) к аде-нину — тимин, к тимину — аденин, к гуанину — цитозин и, наконец, к цитозину — гуанин. В результате этого определяется расположение оснований во вто рой цепи в строгом соответствии с их расположением в первой цепи. Затем ферментные системы смыкают установленные определенным образом нуклеотиды во вторую комплементарную цепь, которая уже соединена с первой основной цепью водородными связями. Этот процесс специфического синтеза ДНК имеет место в период деления клетки, когда, как показывает химический анализ, действительно происходит удвоение количества ДНК. [c.60]

    Последовательность нуклеотидов и генетический код. Методы определения последовательности аминокислот в полипептидной цепи были известны еще в 50-х гг. Теоретически это относительно легкая проблема, поскольку все 20 аминокислот, встречающиеся в природных белках, имеют разные свойства. С другой стороны, нуклеотидная последовательность ДНК относительно однородна по составу элементарных звеньев, так как содержит только четыре типа азотистых оснований-гуанин, цитозин, аденин и тимин. Когда еще в 60-х г. был расшифрован генетический код, появилась возможность восстанавливать (дедуцировать) нуклеотидную последовательность транскрибируемой ДНК по аминокислотной последовательности соответствующего белка. Однако генетический код является вырожденным, то есть одной и той же аминокислоте соответствуют несколько разных нуклеотидных триплетов. Следовательно, суждения о нуклеотидной последовательности, основанные на последовательности аминокислот в белке, не однозначны. Кроме того, последовательности аминокислот не содержат никакой информации о последовательности некодирующих участков ДНК. В настоящее время разработаны методы непосредственного секвенирования ДНК [117]. Принцип состоит в следующем длинную молекулу ДНК фрагментируют при помощи агентов, расщепляющих ее в специфических сайтах. Затем определяют последовательность нуклеотидов в каждом из этих фрагментов. Очередность фрагментов в целой молекуле восстанавливают, используя перекрывающиеся концы идентичные цепи разрезают повторно другой рестриктазой, а затем последовательности перекрывающихся фрагментов, образующихся при обработке двумя рестриктазами разной специфичности, сравнивают. Так может быть реконструирована полная последовательность. В пределах отдельных фрагментов порядок нуклеотидов определяют с помощью специальных методов. Раньше секвенирование ДНК было весьма трудным делом, теперь же оно [c.131]

    Длинная цепь ДНК — это нить, в которой чередуются радикал фосфорной кислоты и группа сахаров к каждой из последних примыкает белковая группа, обозначенная на рис. 32, а буквами С (цитозин), А (аденин), О (гуанин), Т (тимин). Ионы натрия (или же какие-либо другие), располагаясь вблизи фосфорнокислого остатка, не связаны с ним каким-то определенным образом. Существуют только четыре различных типа боковых цепей, и ДНК разных видов отличаются только их относительными свойствами. Возможная модель структуры ДНК (модель Уотсона и Кирка) [c.67]

    Информация, необходимая для построения определенной аминокислотной последовательности, содержится в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Молекула ДНК является полинуклеотидом, образованным основаниями аденином (А), гуанином (G), цитозином (С), тимином (Т), остатками фосфорной кислоты и 2-дезоксирибозой в качестве углеводного компонента. Все ДНК построены как регулярные двойные спирали, структура которых стабилизирована водородными связями между комплементарными парами оснований А — Т и О — С. В ДНК каждые три следующих один за другим нуклеотида (триплетный код) кодируют одну аминокислоту (189 — 192]. Для 20 протеиногенных аминокислот существуют 64 кодовые единицы (кодона), из которых по 6 приходится на аминокислоты Leu, [c.391]

    В ДНК в форме специфической последовательности Т, А, С и G закодирована аминокислотная последовательность всех клеточных белков. Кодирование осуществляется триплетами из тимина, аденина, цитозина и гуанина. Три основания (кодон) кодируют одну аминокислоту. Тем самым ДНК действует как матрица для синтеза белков в клетке. Определенные участки ДНК (гены) ответственны за то или иное действие в клетке. Каждая клетка содержит полный набор информации для строительства своих белков, ферментов. [c.719]

    Синтез белка включает перенос информации (транскрипцию) от ДНК к молекуле РНК, которая синтезируется на ДНК-матрице и комплементарна данной части цепи ДНК — гену. Эта информационная, или матричная, РНК точно отражает последовательность нуклеотидов в определенной части ДНК. Так, информационная РНК содержит остатки аденина там, где ДНК содержит тимин, остатки цитозина там, где в ДНК гуанин. [c.719]

    Моделью спиралей служит обычная модель биополимера, разобранная в 1 настоящей главы. Однако наличие водородных связей вносит в механическую модель спирали дополнительную жесткость, т. е. перемычки не только скрепляют спирали, но и уменьшают свободу относительного движения соседних треугольников. Это очень наглядно демонстрируется изготовлением моделей молекул ДНК с выдержанным масштабом. На этих моделях видно, что углы внутреннего вращения могут меняться весьма незначительно, пока изгиб молекулы в целом пренебрежимо мал, т. е. пока относительное двинсение соседних мономерных единиц совершается независимо от движения других. Иначе говоря, водородные связи обеспечивают выполнение условий (см. 2, п. 2°), когда функция iZ( pi ), определенная формулой (2.25), близка к единице и конфигурационный интеграл спирали имеет вид (2.28). Следует отметить, что кроме водородных связей между спиралями действуют силы чисто ван-дер-ваальсовского характера (в частности, дипольное, квад-рупольное и другие взаимодействия), но при некотором переопределении потенциалов взаимодействия мономерных единиц они могут быть учтены в рамках изложенной модели, и мы их рассматривать не будем. Звенья спирали делятся на четыре типа, что обусловлено наличием четьфех различных радикалов (аденин, тимин, гуанин, цитозин), цавешенных по одному на каждое звено главной цепи. Эта ситуация описывается в терминах, которые мы употребляли в п. 6° 2 настоящей главы. Структура спирали может быть записана словом в алфавите из четырех букв (и = = 4), причем в приближении взаимодействия только ближайших соседей кодовыми ячейками будут подслова из трех букв. Если, например, структура спирали записана словом [c.92]

    Аналогичные, хотя и более слабо выраженные явления, характеризуют рРНК и РНК некоторых вирусов. Это свидетельствует о том, что РНК в определенных участках молекулы складываются на себя так, что пары азотистых оснований, сближаясь друг с другом, образуют водородные связи между аденином и урацилом и между гуанином цитозином. Как подтверждают данные рентгеноструктурного анализа, структура этих участков спиральная. Таким образом, молекулы РНК имеют форму полинуклеотидных цепей, держащих короткие спирализованные участки с комплементарны парами оснований — АУ и ГЦ. В образовании указанных у частков занято от 40 до 70% всех нуклеотидов. [c.43]

    В твердой форме эта кпслота обладает кристаллическим строением (что подтверждается четкой картиной диффракцни рентгеновских лучей), высокой плотностью и может быть вытянута в нити. Несколько лет назад Астбери [114] предложил для дезоксирибонуклеиновой кислоты плотно упакованную структуру, в которой остатки дезоксирибозы и основания находятся в слоях, разделенных фосфатными связями. Сравнительно недавно Уотсон и Крик [115] предложили модель двойной спирали, в которой две спирали переплетаются таким образом, что последовательность остатков в одной спирали противоположна их пос-ледовятрльности в другой. Основания могут быть расположены в такой структуре только определенными парами, по одному на каждой спипяли при этом дня пуриновых основания слишком велики, чтобы пара нз ннх могла разместиться в этой структуре, а два пиримидиновых основания слишком малы. При наличии определенных доказательств было принято, что противоположным компонентом в паре оснований для аденина может быть только тимин, а для гуанина — цитозин. Предполагается, что водородные связи между парами оснований обеспечивают стабильность спиральной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты. Предполагаемое строение ее показано на рис. 46. [c.250]

    Код, которым в молекуле и-РНК записана определенная последовательность в соединении аминокислот при синтезе белка, расшифрован. Так, например, участок и-РНК с последовательностью оснований гуанин — цитозин — цитозин, гуанин — цитозин — гуанин, гуашш — цитозин — урацил требуют присоединения к строящейся молекуле белка аланина, участки цитозин — аденин — аденин, цитозин — аденин — гуанин присоединяют глицнн и т.д. [c.560]

    Существование водородных связей в водных растворах ДНК подтверждается также измерениями скорости изотопного обмена с дейтерием и тритием з 39, з41,342 3 5 измерения показывают, что в ДНК имеется определенное число сравнительно медленно обменивающихся протонов п, которое зависит от содержания пар аденин -тимин и гуанин цитозин в молекуле ДНК [c.254]

    Задавшись определенной моделью вторичной структуры тРНК с определенным содержанием комплементарных пар аденин урацил и гуанин цитозин, можно рассчитать соответствующую этой модели дисперсию оптического вращения, если известны изменения, вносимые в картину дисперсии односпиральной молекулы при образовании пар оснований. Величину этих изменений можно приближенно оценить, сопоставляя кривые дисперсий оптического вращения двухспиральных комплексов (поли-А) (поли-Н) и (поли-О) (поли-С) и односпиральных молекул поли-А, поли-и, поли-О и поли-С 2 Такое сопоставление, вообще говоря, дает принципиальную возможность выбора наиболее вероятных типов [c.292]

    Для объяснения параллельного хода двух полинуклеотидных цепей в структуре ДНК Уотсон и Крик сделали предположение о наличии водородных связей между пуриновыми и пиримидиновыми группами, обращенными друг к другу в центре спирали. Поскольку пуриновые группы значительно больше пиримидиновых, такое расположение может иметь место только в том случае, если пуриновая группа одной из мо-лекулярных цепей всегда спарена с пирими-диновой группой другой цепи. Когда сконструировали модель, выявились другие ограничения, заключающиеся в том, что водородные связи способны образовываться только между аденином и тимином и между гуанином и цитозином, определенным образом расположенными относительно друг друга. Таким образом, если одна из сворачивающихся цепей ДНК имеет определенную последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований, то последовательность оснований во второй цепи полностью определена. Во второй цепи всегда должен находиться аденин напротив тимина первой цепи, и наоборот, и напротив цитозина в первой цепи всегда во второй цепи должен находиться гуанин, и наоборот. [c.86]

    Имеются два хорошо известных типа нуклеиновых кислот рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Они являются полимерами, построенными из углеводно-фосфатных звеньев (соединенных в цепи остатков фосфорной кислоты и рибозы или дезоксирибозы), с присоединенными в определенные положения углеводного звена гетероциклическими основаниями (точнее, их остатками). Наиболее распространенными гетероциклическими основаниями, входящими в состав нуклеиновых кислот, являются аденин, гуанин, ксантин, гипоксантин, тимин, цитозин и урацил. Эти названия приняты ШРАС/ШВ, однако в указателях СА применяются лишь систематические пурин-пиримидиновые названия. Глико-зилированные основания называют нуклеозидами, и их названия чаще всего строят из названий компонентов при этом название основания модифицируется окончаниями -озин или -идин , как в случае аденозина (29) и тимидина (30). [c.188]

    Репликация последовательности при ферментативных (Е. соН) синтезах ДНК была изучена с использованием меченных Р субстратов и ДНК затравки, изолированной из вирусных, бактериальных и животных источников. Гидролиз полученных полидезоксинуклеотидов диэстеразой до дезоксинуклеозид-З -фосфатов с последующим определением распределения радиоактивности показал, что в каждом случае присутствуют все 16 возможных динуклеотидных (ближайший сосед) последовательностей, что это распределение является уникальным, не случайным, репродуцируемым и не предопределяется нуклеотидным составом затравочной ДНК и что эта ферментативная репликация включает образование пар аденин — тимин и гуанин — цитозин в двух цепях с противоположной последовательностью оснований (т. е. с противоположной полярностью ), как в модели Уотсона и Крика. [c.322]

    Что касается низкой гетерогенности бактериальных ДНК по составу (но не обязательно по последовательности), то она очевидна также из данных по определению плотности ДНК методом ультрацентрифугирования в градиенте плотности [245, 246[. При изучении большого числа дезоксирибонуклеиновых кислот вновь была найдена линейная зависимость между плотностью ДНК и содержанием гуанина и цитозина. Экстраполирование этих результатов показало, что двойная спираль из аденин-тиминового полидезокси-нуклеотида должна иметь плотность 1,662, а плотность соответствующего гуанин-цитозинового полимера должна быть 1,764. Если известна плотность нативной ДНК и ее величина укладывается между этими крайними значениями, то это позволяет точно определять состав ДНК. Соответствующие денатурированные ДНК имеют плотность на 0,015 выше. Если гетерогенность двух препаратов ДНК из животных тканей удалось выявить по увеличению ширины полос, то бактериальные нуклеиновые кислоты характеризуются узким распределением по составу (половина ширины полосы соответствует 3—5 мол. % гуанина + цитозина по сравнению с 11 % для ДНК из зобной железы теленка), а распределение по составу ДНК бактериофага настолько узко, что его не удалось измерить. Избирательная тепловая денатурация ДНК из зобной железы теленка (с низким содержанием гуанин-цитозиновых пар) дает фракцию нативного препарата с более высокой плотностью, чем плотность исходного препарата, из которого она была выделена [245[. [c.577]

    Теоретический расчет электронной структуры пурин-пирими-диновых пар в ДНК методом молекулярных орбит указывает на значительные количественные различия во многих электронных свойствах [248I. Расчеты показывают, что как общая резонансная энергия, так и отдельные ее части, отражающие стабилизацию структуры в результате образования водородных связей, для пары гуанин — цитозин должны быть выше, чем для аденин-тиминовой пары. Далее, распределение электрических зарядов в парах оснований позволяет предположить, что определение положения про- [c.578]

    Распределение ДНК и РНК во фракциях, а также соотношения ДНК РНК и ДНК остаточный белок во фракциях резко отклоняются от нормы как непосредственно досле облучения, так и в последующие дни. При определенных условиях сразу после облучения обнаруживается уменьшение ДНК и РНК во фрак ции I и увеличение их во фракции II. Относительное количество РНК и остаточного белка по сравнению с количеством ДНК во фракции II тотчас после облучения уменьшается по сравнению с нормой примерно в два раза при дозе 2000 р. Полученные данные свидетельствуют о пониженной полимерности ДНК и РНК уже сразу после облучения in vivo. Непосредственно после локального облучения конечности животного дозой 2000 р отношения аденин цитозин и гуанин цитозин увеличиваются в ДНК фракции II облученного костного мозга на 40—41 % по сравнению с нормой. Изменения в составе оснований ДНК фракции II отмечены и сразу после локального облучения дозой 200 р. Через одни — шесть суток после облучения полимерность ДНК особенно сильно снижается, а относительное количество РНК и белка в нефракционированных препаратах нуклеиновых кислот по сравнению с нормой увеличивается. На основании полученных данных можно прийти, к заключению, что нарушение комплексов биополимеров весьма существенно для лучевого поражения организма. Разработанные нами методы фракционированного осаждения нуклеиновых кислот позволяют обнаружить их изменения сразу после облучения in vivo более отчетливо, чем ранее, применявшиеся методы. [c.54]

    Определение молекулярного веса нуклеиновых кислот (полинуклеотидов) седиментационным методом на ультрацентрнфуге дает величины от 200 000 и менее до нескольких миллионов. При полном гидролизе нуклеиновых кислот ядра клетки уста1Ювлено наличие трех групп составных частей этих так называемых дезоксирибонуклеиновых кислот (они обычно обозначаются как ДНК). Это — фосфорная кислота, D-2-дез-оксирибоза (т, е. й-рибоза, у которой второй углеродный атом несет второй водородный атом вместо гидроксила, кн. I, стр. 432) и смесь четырех гетероциклов двух пуриновых — аденина и гуанина и двух пиримидиновых— тимина и цитозина (см. стр. 319, 329). Полный гидролиз нуклеиновых кислот клеточной плазмы, так называемых рибонуклеиновых кислот (РНК), также дает фосфорную кислоту, /)-рибозу (вместо )-дезоксирибозы) и смесь тех же аденина, гуанина, цитозина и, кроме того, урацила. Тимин (метильный гомолог урацила) в них отсутствует. [c.673]

    В состав ДНК входят углевод дезоксирибоза и азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин. Нуклеотиды соединяются между собой 3, 5 -фосфодиэфирными связями, образуя полинуклеотидную цепь. Молекулы ДНК — это двухцепочные структуры, которые несут в себе сразу два «текста», но заключенная в них информация одна и та же, поскольку каждому нуклеотиду в одной нити отвечает лишь один определенный нуклеотид в другой, т.е. два текста однозначно соответствуют друг другу. В этом соответствии заключен принцип комплементарности. Это означает, что в строго упорядоченной двойной спирали пространственные возможности таковы, что против А может стоять только Т, а против Г — только Ц (рис. 80). [c.216]

    РНК рибонуклеиновая кислота. Ее молекула по строению аналогична ДНК. В отличие от последней она состоит из одной нити, в которой чередуются нуклеотиды аденин, гуанин, цитозин и урацил (вместо тимина). В качестве сахара в РНК входит рибоза. В функции мРНК (матричной, информационной РНК) входит передача генетической информации от ДНК к месту сборки — белков — рибосомам. Транспортные РНК (тРНК) распознают и доставляют к рибосомам молекулы определенных аминокислот. У некоторых вирусов генетическая информация записана не в ДНК, а в РНК. [c.114]

    К наследственным заболеваниям с умственной отсталостью относят и синдром Мартина—Белл (синдром ломкой Х-хромосомы). Синдром наследуется Х-сцепленно рецессивно и встречается в основном у мальчиков, хотя выявляется и у /з женщин — носительниц гена. Частота его составляет 1 1250— 1 5000 лиц мужского пола. В настоящее время выяснен характер генетических изменений, лежащих в основе этого заболевания. Показано, что клинические проявления синдрома связаны с увеличением числа тринуклеотидных повторов цитозин-гуанин-гуанин на определенном участке длинного плеча Х-хромосомы (Xq27.3). [c.181]

    Важный шаг на пути создания естественной систематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии. В 60-х гг. XX в. было установлено, что все свойства организма определяются уникальными химическими молекулами — ДНК, поэтому бактерии могут быть классифицированы путем сравнения их геномов. По такому признаку, как генетический материал, оказалось возможным на основании выявления степени сходства делать вывод о степени родства между организмами. Первоначально для таксономических целей сравнивали молярное содержание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количества оснований ДНК у разных объектов. Этот показатель у прокариот колеблется от 25 до 75 % . Однако ГЦ-показатель дает возможность только для фубого сравнения геномов. Если организмы имеют одинаковый нуклеотидный состав ДНК, возможно и сходство и различие между ними, поскольку генетическое кодирование основано не только на определенном содержании оснований в единице кодирования (триплете), но и на их взаимном расположении. [c.160]

    За обедом я подтвердил, что результаты Чаргаффа Фрэнсис запомнил правильно. Но он уже несколько утратил доверие к квантовомеханическим доводам Гриффита. Во-первых, Гриффит, когда его допросили с пристрастием, довольно вяло защищал свой ход рассуждений. Слишком многими переменными пришлось ему пренебречь, чтобы побыстрее проделать расчеты. Кроме того, каждое основание имеет две плоские стороны, и ничто не объясняло, почему избирается только одна из них. Нельзя было исключить и вероятность того, что причина закономерностей Чаргаффа лежит в генетическом коде. Определенные группы нуклеотидов должны каким-то образом кодировать определенные аминокислоты. Одинаковое содержание аденина и тимина могло объясняться каким-то еще не известным фактором, упорядочивающим основания. К тому же Маркхэм заявлял, что если Чаргафф утверждает, будто содержание гуанина и цитозина одинаково, то он абсолютно уверен, что это не так. По мнению Маркхэма, сама методика Чаргаффа неизбежно должна была приводить к недооценке истинного количества цитозина. [c.76]

    Действительно, для каждого гетероциклического основания можно подобрать такой химический реагент, который избирательно взаимодействует только с атомами или группами, участвующими в образовании водородных связей при комплементарном спаривании нуклеотидных остатков. Так, например, кетоксаль избирательно взаимодействует с N1 и 2-NHj-rpynnoft гуанина, диметилсульфат (в определенных условиях)—с N1 аденина и N3 цитозина, карбо-диимид — с N3 урацила. Следовательно, если тог или иной.нуклео- [c.38]

    ДНК базируются на основополагающих работах Уотсона и Крика (1952 г.) [3.4.3]. Из данных рентгеноструктурного анализа и факта определенной упорядоченности структуры ДНК различного происхождения был сделан вывод, что две полинуклеотидных цепи тяжа) закручены в форме двойной спирали (рис. 3.4.1). При этом основания ориентированы перпендикулярно к оси спирали, расстояние между кольцами равно примерно 0,344 нм. На один виток спирали приходится 10 оснований в каждом из тяжей. Оба тяжа спирали удерживаются и стабилизованы за счет водородных связей и ван-дер-Ваальсовых взаимодействий между основаниями. При этом друг против друга располагаются так называемые комплементарные пары оснований тимин и аденин, цитозин и гуанин [3.4.4] (точнее остатки оснований)  [c.665]

    Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные полимерные молекулы, состоящие из чередующихся углеводных и фосфоди-эфирных остатков. Фрагменты углеводов существуют в молжулах нуклеиновых кислот в- фураиозиой форме и связаны по атому С-1 с остатками пиримидиновых или пуриновых оснований (общее рассмотрение структуры нуклеиновых кислот см. [45]). Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) присутствует во всех живых клетках и служит носителем генетической информации. В качестве углеводного остатка в молекуле ДНК присутствует о-дезоксирибоза, а в качестве оснований — тимин. цитозин (пиримидиновые основания) и аденин, гуанин (пуриновые основания) (рис. 7.14, а). Определенная последовательность расположения пиримидиновых и пуриновых оснований в цепи ДНК связана с конкретной генетической информацией. Рибонуклеиновые кислоты (РНК) также представляют собой неразветвлеиные полимерные молекулы, отличающиеся от молекул ДНК тем, что содержат вместо дезоксирибозы о-рибозу (с группой ОН при атоме С-2) и урацил вместо тимина. РНК выполняют роль матриц для синтеза белка. [c.317]


Информация для решения заданий — Молекулярная биология

Наследственная информация – это информация о строении белка (информация о том, какие аминокислоты в каком порядке соединять при синтезе первичной структуры белка).

Информация о строении белков закодирована в ДНК, которая у эукариот входит в состав хромосом и находится в ядре. Участок ДНК (хромосомы), в котором закодирована информация об одном белке, называется ген.

Транскрипция – это переписывание информации с ДНК на иРНК (информационную РНК). иРНК переносит информацию из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка (к рибосоме).

Трансляция – это процесс биосинтеза белка на рибосоме.

Реакции транскрипции, трансляции, а так же репликации (удвоения ДНК) являются реакциями матричного синтеза. 

ДНК служит матрицей для синтеза иРНК, иРНК служит матрицей для синтеза белка.

Генетический код – это способ, с помощью которого информация о строении белка записана в ДНК.

Свойства генетического кода:

1) Триплетность: одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Эти 3 нуклеотида в ДНК называются триплет, в иРНК – кодон, в тРНК – антикодон, кодовый триплет.

2) Избыточность (вырожденность): аминокислот всего 20, а триплетов, кодирующих аминокислоты – 61, поэтому каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами.

3) Однозначность: каждый триплет (кодон) кодирует только одну аминокислоту.

4) Универсальность: генетический код одинаков для всех живых организмов на Земле.

подсказка 4

КЛЕТКА

1. Все живые организмы на Земле состоят из клеток, сходных по строению, химическому составу и функционированию. Это говорит о родстве (общем происхождении) всех живых организмов на Земле (о единстве органического мира).

2. Клетка является: 

структурной единицей (организмы состоят из клеток)

функциональной единицей (функции организма выполняются за счет работы клеток)

генетической единицей (клетка содержит наследственную информацию)

единицей роста (организм растет за счет размножения его клеток)

единицей размножения (размножение происходит за счет половых клеток)

единицей жизнедеятельности (в клетке происзодят процессы пластического и энергетического обмена) и т.п.

3. Все новые дочерние клетки образуются из уже существующих материнских клеток путем деления.

4. Рост и развитие многоклеточного организма происходит за счет роста и размножения (путем митоза) одной или нескольких исходных клеток.

подсказка 5

МЕТАБОЛИЗМ

Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность всех химических реакций, которые происходят в организме. Все эти реакции делятся на 2 группы

1. Пластический обмен (биосинтез, анаболизм) – из простых веществ с затратой энергии образуются (синтезируются) более сложные. Пример:

При фотосинтезе из углекислого газа и воды синтезируется глюкоза.

2. Энергетический обмен (катаболизм, распад, дыхание) – это когда сложные вещества распадаются (окисляются) до более простых, и при этом выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности. Пример:

В митохондриях глюкоза, аминокислоты и жирные кислоты окисляются кислородом до углекислого газа и воды, при этом образуется энергия (клеточное дыхание)

Взаимосвязь пластического и энергетического обмена

Пластический обмен обеспечивает клетку сложными органическими веществами (белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами), в том числе белками-ферментами для энергетического обмена.

Энергетический обмен обеспечивает клетку энергией. При выполнении работы (умственной, мышечной и т.п.) энергетический обмен усиливается.

АТФ – универсальное энергетическое вещество клетки (универсальный аккумулятор энергии). Образуется в процессе энергетического обмена (окисления органических веществ).

При энергетическом обмене все вещества распадаются, а АТФ – синтезируется. При этом энергия химических связей распавшихся сложных веществ переходит в энергию АТФ, энергия запасается в АТФ.

При пластическом обмене все вещества синтезируются, а АТФ – распадается. При этом расходуется энергия АТФ (энергия АТФ переходит в энергию химических связей сложных веществ, запасается в этих веществах).

подсказка 6

Мейоз – это деление, при котором получаются половые клетки (у растений – споры). Биологическое значение мейоза:

рекомбинация (перемешивание наследственной информации)

редукция (уменьшение количества хромосом в 2 раза).

Отличия мейоза от митоза по итогам

1. После митоза получается две клетки, а после мейоза – четыре.

2. После митоза получаются соматические клетки (клетки тела), а после мейоза – половые клетки (гаметы – сперматозоиды и яйцеклетки; у растений после мейоза получаются споры).

3. После митоза получаются одинаковые клетки (копии), а после мейоза – разные (происходит рекомбинация наследственной информации).

4. После митоза количество хромосом в дочерних клетках остается таким же, как было в материнской, а после мейоза уменьшается в 2 раза (происходит редукция числа хромосом; если бы её не было, то после каждого оплодотворения число хромосом возрастало бы в два раза; чередование редукции и оплодотворения  обеспечивает постоянство числа хромосом).

Отличия мейоза от митоза по ходу

1. В митозе одно деление, а в мейозе – два (из-за этого получается 4 клетки).

2. В профазе первого деления мейоза происходит конъюгация (тесное сближение гомологичных хромосом) и кроссинговер (обмен участками гомологичных хромосом), это приводит к перекомбинации (рекомбинации) наследственной информации.

3. В анафазе первого деления мейоза происходит независимое расхождение гомологичных хромосом (к полюсам клетки расходятся двуххроматидные хромосомы). Это приводит к рекомбинации и редукции.

4. В интерфазе между двумя делениями мейоза удвоения хромосом не происходит, поскольку они и так двойные


Ксено-нуклеиновые кислоты — синтетические конкуренты ДНК | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

На прошедшей в Лондоне 6-й международной конференции по синтетической биологии подавляющее большинство докладов и сообщений были посвящены тем или иным модификациям молекулы ДНК. Что вполне естественно: ведь главная задача этого совсем еще молодого направления генной инженерии состоит в проектировании и создании новых, не встречающихся в живой природе биологических систем, а молекулы ДНК являются, как известно, носителями наследственной информации, основой всей жизни на Земле. Поэтому внимание ученых, работающих в области синтетической биологии, приковано к ДНК. Именно на ее основе они конструируют новые гены.

Пока, правда, исследователи заняты, в основном, тем, что придают новые или изменяют имеющиеся функции организмов, давно существующих в природе и развившихся естественным путем, однако в будущем они намерены синтезировать и невиданные прежде искусственные организмы, способные к самостоятельной жизнедеятельности, включая воспроизводство, и обладающие строго определенными, заранее заданными свойствами. В процессе создания таких программируемых организмов наука должна прийти к более глубокому пониманию феномена биологической жизни как таковой: ведь сегодня ученые лишь разбирают живой организм на составные части, а впредь начнут собирать их из атомов и молекул.

Впрочем, уже, можно сказать, начали: в 2010 году знаменитому американскому генетику Крейгу Вентеру (Craig Venter) и его коллегам удалось создать первую в мире искусственно синтезированную бактерию.

Британцы пошли другим путем

Так вот, хотя основные доклады на лондонской конференции касались ДНК, ничуть не меньший интерес вызвало сообщение группы британских исследователей, пошедших другим путем. Они синтезировали иные носители наследственной информации, отличные от молекул ДНК, хотя и похожие на них.

Собственно, молекула ДНК послужила разработчикам основой. Руководитель группы — Филипп Холлигер (Philipp Holliger), научный сотрудник Лаборатории синтетической биологии в Кембридже, говорит: «Мы создали несколько аналогов ДНК и назвали их ксено-нуклеиновыми кислотами — от греческого слова «ксенос», то есть чужой, чуждый, инородный. Мы модифицировали, так сказать, остов нормальной молекулы ДНК. Она, как известно, имеет структуру двойной спирали. Если представить себе эту двойную спираль в виде закрученной лестницы, то мы изменили не поперечные перекладины, не соединенные попарно водородными связями азотистые основания, а продольные опоры между ними. Там расположены сахара, которые вместе с фосфатами образуют остов молекулы, связывают нуклеотиды внутри каждой цепи».

Азотистые основания — те же, сахара — другие

Таким образом, все четыре азотистых основания, присущих ДНК — аденин, гуанин, тимин и цитозин, — сохранились неизменными. А вот вместо типичной для ДНК дезоксирибозы британские исследователи встроили в молекулы своих ксено-нуклеиновых кислот другие сахара — в частности, арабинозу и циклогексенил.

С химической точки зрения это было относительно несложно. Но носитель наследственной информации способен выполнять эту свою функцию только в том случае, если он поддается прочтению и копированию. Поскольку же природные ферменты могут выполнять эти операции лишь применительно к молекулам ДНК, Филиппу Холлигеру и его коллегам пришлось синтезировать и соответствующие искусственные ферменты. Ученый говорит: «Нам нужен был один фермент, способный считывать молекулу ксено-нуклеиновой кислоты, и другой фермент, способный ее воспроизводить. Такое преобразование должно было работать в обе стороны: от ДНК к ксено-НК и от ксено-НК к ДНК».

Ксено-нуклеиновые кислоты могут заинтересовать медиков

Все исследования в сфере синтетической биологии относятся пока к разряду фундаментальных исследований, но некоторые варианты практического применения молекул ксено-нуклеиновых кислот просматриваются уже сейчас. Пусть их производство обходится намного дороже, чем производство ДНК, зато эти альтернативные носители информации гораздо прочнее и, судя по всему, могут сохраняться в неизменном виде тысячелетиями. Ведь в природе просто не существует ферментов, способных их расщепить.

Причем такую прочность эти молекулы демонстрируют не только в стерильной лабораторной посуде, но и в живых организмах, в теле животных и человека, что делает их чрезвычайно интересными для медиков. Филипп Холлигер говорит: «Некоторые из ксено-нуклеиновых кислот настолько чужеродны для организма человека, что они в нем либо вообще не расщепляются, либо расщепляются чрезвычайно медленно. Поэтому любые искусственно синтезированные биологически активные вещества на основе таких кислот могут сохраняться в организме гораздо дольше, чем природные субстанции. Это открывает интересные перспективы в деле создания новых биомолекулярных лекарственных препаратов».

Внеземные цифилизации могут изрядно удивить человечество

Впрочем, по мнению ученого, его работа отвечает и на сугубо философский вопрос, касающийся зарождения и развития жизни на Земле: «Является ли ДНК той единственной молекулой, на основе которой могла возникнуть жизнь? Или это случайность? То есть просто в какой-то момент эволюция сделала свой выбор, и он стал окончательным? Похоже, что это именно так. Жизнь в той форме, какую мы знаем, базируется на ДНК, но если мы ищем внеземные цивилизации, то должны ясно понимать, что они могут быть основаны на иных носителях наследственной информации. Это могут быть нуклеиновые кислоты вроде тех, что мы создали искусственно, а, может, и нечто более экзотическое и чужеродное».

Словарь : Все про гены!

     Аденин — производная пурина, одно из двух пуриновых оснований, которые принимают участие в образовании нуклеотидов — структурных единиц ДНК и РНК. В ДНК, аденин связывается (комплементарный) с тимином через две водородные связи, что помогает стабилизировать структуру нуклеиновой кислоты. В РНК, аденин связывается с урацилом (следует помнить что у эукариотов РНК является одноцепочной структурой).
>>>       Аллели или аллельные гены (от греч. — друг друга, взаимно) — различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака.
>>>

      Арахнодактилия «пальцы паука» или как еще называют арахномания («руки паука») — это состояние, при котором пальцы аномально длинные и тонкие, по сравнению с размерами ладони. Такое состояние может быть обнаружено при рождении, или возникнуть в дальнейшем.

>>>

     Синдром Ариаса — это редкое заболевание, нарушающее метаболизм билирубина (желчный пигмент, который образуется в организме из гемоглобина крови). Это расстройство характеризуется врожденной, злокачественной гипербилирубинемией, которая в свою очередь возникает вследствие нарушения процесса конъюгации в печени билирубина с глюкуроновой кислотой. 

>>>       Болезнь Ниманна-Пика — заболевание обусловлено наследственным нарушением обмена липидов (сфингофосфолипидов). Происходит накопление сфингомиелина в печени, головном мозге, селезенке, надпочечниках, почках, лимфатических узлах, коже и мононуклеарных клетках крови.  >>>     Болезнь Тея — Сакса (амавротична идиотия) относится к группе внутриклеточных липидоза. Это заболевание с аутосомно-рецессивным типом наследования. Отмечается увеличение в мозге гликолипидов — ганглиозидов, а также повышение уровня ганглиозидов в печени, селезенке, что свидетельствует о генерализованном нарушении обмена ганглиозидов
>>>      Болезнь фон Реклингхаузена(другое название нейрофиброматоза І типа)  является наиболее распространенной формой NF, на которую приходится около 90% случаев. NF 1 встречается в 1 человека на 4000, что делает его более распространенным, чем нейрофиброматоз типа 2, который возникает в 1 человека на 45000.  >>>

ДНК — все статьи и новости

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — биополимер, мономерами которого являются нуклеотиды, состоящие из углевода, азотистого основания и фосфатов. В организме живых существ ДНК осуществляет хранение генетической информации, ее реализацию и передачу по наследству. В ДНК также закодирована информация о структуре РНК и белков.

ДНК называется кислотой, поскольку в составе ее молекулы присутствуют остатки фосфорной кислоты. В качестве углеводного компонента в ДНК выступает 2-дезокси-D-рибоза. Впервые ДНК была выделена из ядер клеток, поэтому она была названа нуклеиновой (от лат. nucleus — «ядро»). В составе дезоксирибонуклеиновой кислоты встречается четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин.

В эукариотических клетках основная масса ДНК заключена в ядре, но также небольшое количество присутствует в митохондриях и в хлоропластах (у растений). ДНК в клетках существует в виде двойной цепи (у некоторых вирусов может быть одноцепочечной), то есть представляет собой пару полинуклеотидных цепей. Эти две цепочки удерживаются вместе за счет водородных связей, которые возникают между азотистыми основаниями, присутствующими в молекулах, в частности между аденином и тимином и между гуанином и цитозином. Такие пары называют комплементарными. Двойная цепь ДНК находится в «суперскрученном» состоянии, в виде двойной спирали. Такая форма позволяет главному хранилищу генетической информации находиться в устойчивом состоянии и упаковываться в клетках.

Если посчитать суммарную длину ДНК человека, то получится величина, сравнимая с диаметром Солнечной системы. Ясно, что чем больше информации нужно сохранить, тем длиннее будет ДНК, следовательно, чем сложнее организм, тем большее количество дезоксирибонуклеиновой кислоты содержится в его клетках. Однако такая закономерность не всегда соблюдается: например, крупные клетки бобов содержат больше ДНК, чем человеческие.

Как химическое вещество ДНК впервые выделил Фредерик Мишер в 1869 году из остатков клеток, содержащихся в гное. Структура двойной спирали ДНК была предложена Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году на основании данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин. За эту работу в 1962 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Крик, Уотсон и Уилкинс; Розалинд Франклин к тому времени умерла от рака.

Изображение: Nogas1974/Wikimedia Commons

Лабораторная эволюция помогла усовершенствовать метод генного редактирования.

С помощью естественного отбора удалось получить новый белок, исправляющий одни генетические буквы в ДНК на другие.

В молекуле ДНК генетические буквы в обеих цепях стоят строго напротив своих напарников: аденин напротив тимина, гуанин напротив цитозина. (Фото: danielleherrera / Flickr.com.) Структура белка Cas из противовирусной системы CRISPR/Cas, который режет ДНК для редактирующего ремонта; оранжевым обозначена ДНК, с которой связался редактирующий фермент. (Фото: Wikipedia.)

Среди методов редактирования генома сейчас самый популярный – метод CRISPR/Cas, о котором мы неоднократно рассказывали. Вкратце суть его такова: в клетку запускается особый белок (Cas), который режет ДНК там, где необходимо внести какие-то изменения – например, устранить мутацию. Белок ищет правильный адрес с помощью молекулы РНК, которую синтезируют специально для эксперимента и которую он держит при себе. Молекула РНК находит в клеточной ДНК нужную последовательность, после чего белок, как мы только что сказали, режет здесь обе нити ДНК. Разрыв привлекает клеточные ремонтные машины, которые стараются исправить повреждение. Исправляя, он заменяют поврежденный кусок ДНК на новый, но для этого нужен какой-то шаблон, по которому можно сделать «заплатку». Таким шаблоном может быть парная хромосома, на которой нет мутации, или опять же специально синтезированная небольшая ДНК, которую мы запускаем в клетку вместе со всей CRISPR-машинерией.

Метод удобен тем, что редактирующий аппарат можно легко направить на любую последовательность – сделать нужную молекулу РНК с адресом очень легко. Однако есть вероятность, что в ДНК появятся непредусмотренные изменения, и появятся именно из-за разрезания/ремонта. Поэтому биотехнологи модифицировали режущий белок в CRISPR/Cas так, чтобы он не резал обе нити ДНК, а просто садился на нужное место. А вместе с ним сюда приходит другой белок, который прямо в ДНК превращает одну генетическую букву в другую.

Как мы знаем, ДНК (и РНК) представляют собой длиннейшие последовательности четырех азотистых оснований – сложных молекул, которые вполне можно называть генетическими буквами (основания прикреплены с сахаро-фосфатной основе, но нам сейчас это не важно). Нуклеотиды обозначаются буквами А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин), и в двух цепях ДНК напротив Г всегда будет стоять Ц, а напротив А – Т. Если мы поменяем Ц на Т, то в молекуле ДНК возникнет напряженность, поскольку напротив новоявленного Т будет стоять не его законная пара – аденин, а оставшийся гуанин. И в таком случае клетка старается исправить последовательность, восстановить правильное спаривание.

Белок, который превращает одну букву в другую и который мы вносим в клетку вместе с системой CRISPR/Cas, называется цитидин дезаминаза. Детально о ней говорить мы не будем, скажем лишь, что с ее помощью можно точечно изменить букву С на букву Т. Здесь, повторим, не нужно рвать обе цепи ДНК, а потом по шаблону делать большую «заплатку» на поврежденное место. Просто пара цитозин–гуанин меняется на пару тимин–аденин, поэтому посторонних ошибок в окрестностях редактируемого адреса тут не случается. Но исправление С на Т – лишь одно из теоретически возможных. Однако так вышло, что сделать другое изменение, превратить букву А в букву Г, до сих пор было нельзя, соответствующего фермента не существовало в природе.

Николь Гауделли (Nicole M. Gaudelli) и ее коллегам из Гарварда удалось получить такой фермент, и замечательно то, что получали они его с помощью эволюции. У кишечной палочки есть белок, который превращает аденин в инозин – это еще одно азотистое основание, которое очень похоже на гуанин. Однако бактериальный фермент работает только с РНК, и заставить его работать с ДНК пока никому не удавалось.

Тогда исследователи пошли на хитрость. Они снабдили бактерий мутантным геном устойчивости к антибиотику хлорамфениколу: чтобы ген устойчивости начал работать, в нем было заменить А на инозин. Кишечную палочку заставляли расти в питательной среде с антибиотиком и ждали, когда в тот белок, который меняет аденин на инозин в РНК, попадет мутация, которая позволила бы ему сделать то же самое в ДНК – с таким мутантным белком бактерии могли бы выжить в присутствии антибиотика.

В итоге под давлением отбора нужный белок у бактерий появился, и его даже удалось тем же путем усовершенствовать – так, чтобы он менял нуклеотиды в любом контексте (то есть вне зависимости от того, какие у него рядом соседи), и чтобы он был достаточно эффективен. Можно сказать, эволюция, которая у бактерий идет намного быстрее, сделала для биологов бо́льшую часть работы.

Новый фермент работает не только в бактериальных, но и в человеческих клетках, причем никаких посторонних исправлений в редактируемом фрагменте ДНК не появляется. То, что он превращает аденин не в сам гуанин, а в близкий нуклеотид инозин, на самом деле не страшно – другие клеточные машины, обнаружив инозин в ДНК, сделают в этом месте гуанин. В статье в Nature говорится, что полученный в результате лабораторной эволюции белок сумел исправить в клеточной культуре настоящую вредную мутацию, из-за которой возникает наследственный гемохроматоз – болезнь, связанная с нарушениями в усвоении железа организмом. Эффективность замены составляет пока что 30%, но в перспективе авторы работы надеются ее повысить. Очевидно, с помощью «эволюционного» метода можно получить редактирующие ферменты и для обратных замен (чтобы превращать гуанин в цитозин, а аденин в тимин), и тогда мы станем еще на несколько шагов ближе к созданию точной и универсальной генной терапии.

 

По материалам The Scientist.

нуклеотидов и оснований — Genetics Generation

Нуклеотиды и основания

Структура нуклеотидов
Предоставлено Национальным исследовательским институтом генома человека

Нуклеотиды

Нуклеотид является основной структурной единицей и строительным блоком для ДНК . Эти строительные блоки соединены вместе, образуя цепочку ДНК. Нуклеотид состоит из 3 частей:

* сахар пятисторонний
* фосфатная группа
* азотистое основание (азотсодержащее)

Изображение любезно предоставлено Национальным институтом исследования генома человека

Сахарная и фосфатная группы составляют основу двойной спирали ДНК, а основания расположены посередине.Химическая связь между фосфатной группой одного нуклеотида и сахаром соседнего нуклеотида скрепляет скелет. Химические связи (водородные связи) между основаниями, расположенными напротив друг друга, удерживают вместе две нити двойной спирали.

Базы

В ДНК четыре типа оснований. Их называют:

* Аденин (A)
* Цитозин (C)
* Гуанин (G)
* Тимин (T)

Предоставлено Национальным институтом исследования генома человека.

Базы — это часть ДНК, которая хранит информацию и дает ДНК способность кодировать фенотип , видимые черты человека.Аденин и гуанин — пуриновые основания. Это конструкции, состоящие из 5-ти и 6-ти стороннего кольца. Цитозин и тимин — это пиримидины, которые представляют собой структуры, состоящие из одного шестигранного кольца. Аденин всегда связывается с тимином, а цитозин и гуанин всегда связываются друг с другом. Это отношение называется комплементарным базовым выравниванием. Эти дополнительные основания связаны вместе водородными связями, которые можно легко разорвать, когда ДНК нужно распаковать и продублировать себя.

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ , чтобы узнать о ДНК
НАЖМИТЕ
, чтобы узнать об однонуклеотидных полиморфизмах
НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ , чтобы узнать о мутациях ДНК

ДНК: аденин, гуанин, цитозин, тимин и комплементарные пары оснований — видео и стенограмма урока

Четыре азотистых основания в ДНК

Функция ДНК

Мисс Кримсон : Итак, профессор, вы сказали нам, что нуклеотид ДНК состоит из фосфатной группы, сахара и азотистого основания.Можете ли вы сказать нам, какое отношение имеет нуклеотидная структура к рассматриваемому случаю?

Профессор Пир : О да. Видите ли, вам нужно понять химию, лежащую в основе ДНК, чтобы полностью оценить важность и функцию молекулы. Фосфатная группа и сахар одинаковы в каждом нуклеотиде, но есть четыре разных азотистых основания: гуанин , аденин , тимин и цитозин . Часто они обозначаются первой буквой каждого азотистого основания: G , A , T и C .

По сути, они функционируют как четырехбуквенный алфавит. Или, если я могу провести аналогию с рассматриваемым случаем, информация в ДНК похожа на рецепт в одной из поваренных книг нашей бедной жертвы. «Чтение» кода ДНК в конечном итоге сообщает клетке, как производить белки, которые она может использовать для выполнения различных функций, необходимых для жизни. Например, чтение определенной последовательности ДНК сообщает одной клетке, как заставить белок гемоглобин переносить молекулы кислорода по всему телу. С другой стороны, другая клетка может прочитать другой рецепт, в котором рассказывается, как производить протеин инсулина для контроля уровня сахара в крови.Да, и «чтение» или расшифровка ДНК — действительно интригующий процесс.

Пиримидины и пурины

Мисс Кримсон : Да, профессор, я уверен, что транскрипция ДНК очень интересна, но давайте остановимся на основных характеристиках ДНК, которые имеют отношение к рассматриваемому исследованию. Вы рассказывали нам об азотистых основаниях.

Цитозин связывается с гуанином, а аденин — с тимином.

Профессор Пир : Вы совершенно правы.Базы можно разделить на две разные группы. Азотистые основания с одним кольцом, тимин и цитозин, называются пиримидинами , а основания с двойным кольцом, аденин и гуанин, называются пуринами . ( Мисс Кримсон озадаченно смотрит. ) Думаю, вам может быть интересно, как я могу это запомнить, но на самом деле это довольно просто. « A ll G ods pure ». Аденин и гуанин — пурины. А в процессе выведения это означает, что цитозин и тимин должны быть пиримидинами.Видеть?

Мисс Кримсон : Да, да. Это очень хорошая мнемоническая помощь. Аденин и гуанин — пурины, но мы сбились с пути. Вы рассказывали нам, почему важна химическая структура нуклеотидов.

Сопряжение дополнительных баз

Профессор Пир : О, да. Химический состав азотистых оснований действительно является ключом к функции ДНК. Это позволяет так называемое комплиментарное соединение оснований . Видите ли, цитозин может образовывать три водородные связи с гуанином, а аденин может образовывать две водородные связи с тимином.Или, проще говоря, C связывается с G и A связывается с T . Это называется комплементарным спариванием оснований, потому что каждое основание может связываться только с определенным партнером по основанию. Конструкции дополняют друг друга, как замок и ключ. C будет связываться только с G и A будет связываться только с T в ДНК. Из-за комплементарного спаривания оснований азотистые основания с водородными связями часто называют пар оснований .

Нити ДНК антипараллельны

Сахарный и фосфатный концы цепи ДНК обозначаются номерами атомов углерода.

Помните, как я сказал, что полинуклеотиды ДНК выглядят как половина лестницы? Что ж, водородная связь завершает лестницу. Поскольку азотистые основания могут образовывать водородные связи, один полинуклеотид может связываться с другим полинуклеотидом, превращая азотистые основания в ступеньки лестницы. Каждый полинуклеотид, участвующий в этой лестнице, часто называют цепью.Поскольку основания могут соответствовать друг другу только в определенной ориентации, параллельная ориентация между прядями не работает. Пряди должны быть антипараллельными или перевернутыми относительно друг друга.

Мисс Кримсон : Что вы имеете в виду антипараллельно?

Профессор Пир : Хорошо, помните, что костяк состоит из фосфатных групп и сахаров. Таким образом, каждая нить всегда будет иметь фосфат на одном конце и сахар на другом конце. Вместо того, чтобы ссылаться на концы фосфата или сахара, ученые просто называют концы ДНК ближайшим атомом углерода в сахарном кольце.Поскольку атомы углерода в сахаре пронумерованы от одного до пяти, сахарный конец нити называется 3 ‘концом, а фосфатный конец нити называется 5’ концом. Помните, что комплементарная пара оснований работает как замок и ключ, поэтому водородная связь будет работать только в одной ориентации. Если вы попытаетесь сориентировать две нити параллельно друг другу, сахарные концы полинуклеотидов окажутся на одном конце, а фосфатные группы — на другом. Однако азотистые основания не могут образовывать водородные связи в этой ориентации.Ключ не помещается в замок.

Нити ДНК антипараллельны друг другу, что позволяет образовывать водородные связи.

Чтобы водородная связь работала, две нити ДНК должны идти в противоположных направлениях. 3′-конец одной нити может образовывать водородную связь с 5′-концом другой нити. Если мы представим нити в виде стрелок со стрелкой на 3′-конце подставки, мы увидим, что нити в молекуле ДНК организованы антипараллельно относительно друг друга.

Краткое содержание урока

Мисс Кримсон : Хорошо. Позвольте мне еще раз остановить вас, профессор, чтобы я мог подытожить ваши показания перед присяжными.

В ДНК обнаружены четыре азотистых основания, которые называются гуанин , аденин , тимин и цитозин . Они сокращаются по первой букве своего имени, или G , A , T и C . Основания можно разделить на две категории: тимин и цитозин называются пиримидинами , а аденин и гуанин называются пуринами .Каждое нуклеотидное основание может образовывать водородные связи с конкретным партнерским основанием в процессе, известном как комплементарное спаривание оснований : цитозин образует три водородные связи с гуанином, а аденин образует две водородные связи с тимином. Эти связанные водородными связями азотистые основания часто называют пар оснований .

Из-за чередующейся природы фосфатных групп и сахаров в основной цепи нуклеиновых кислот цепь нуклеиновой кислоты имеет направленность. Конец нуклеиновой кислоты, на котором расположена фосфатная группа, называется 5′-концом.Конец нуклеиновой кислоты, на котором находится сахар, называется 3 ‘концом. Наконец, цепей ДНК антипараллельны , что означает, что цепи в молекуле ДНК параллельны, но ориентированы в противоположных направлениях. По сути, 5-футовый конец одной нити соединяется с 3-футовым концом другой нити.

Продолжение следует. . .

Цели урока

После просмотра этого урока вы должны уметь:

  • Назвать четыре азотистых основания ДНК, определить пары оснований, которые представляют собой пиримидины и пурины
  • Объясните, что означает антипараллельность в отношении цепей ДНК

Чтение: Структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты являются наиболее важными макромолекулами для непрерывности жизни.Они несут генетический план клетки и несут инструкции для функционирования клетки.

Двумя основными типами нуклеиновых кислот являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) . ДНК — это генетический материал, содержащийся во всех живых организмах, от одноклеточных бактерий до многоклеточных млекопитающих. Он находится в ядре эукариот, органеллах, хлоропластах и ​​митохондриях. У прокариот ДНК не заключена в мембранную оболочку.

Все генетическое содержимое клетки известно как ее геном, а изучение геномов — это геномика. В эукариотических клетках, но не в прокариотах, ДНК образует комплекс с гистоновыми белками с образованием хроматина, вещества эукариотических хромосом. Хромосома может содержать десятки тысяч генов. Многие гены содержат информацию для производства белковых продуктов; другие гены кодируют продукты РНК. ДНК контролирует всю клеточную активность, «включая» или «выключая» гены.

Другой тип нуклеиновой кислоты, РНК, в основном участвует в синтезе белка.Молекулы ДНК никогда не покидают ядро, а вместо этого используют посредника для связи с остальной частью клетки. Этим посредником является информационная РНК (мРНК) . Другие типы РНК, такие как рРНК, тРНК и микроРНК, участвуют в синтезе белка и его регуляции.

ДНК и РНК состоят из мономеров, известных как нуклеотиды. Нуклеотиды объединяются друг с другом с образованием полинуклеотида, ДНК или РНК. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, пентозного (пятиуглеродного) сахара и фосфатной группы (рис. 1).Каждое азотистое основание в нуклеотиде присоединено к молекуле сахара, которая присоединена к одной или нескольким фосфатным группам.

Рис. 1. Нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, пентозного сахара и одной или нескольких фосфатных групп. Остатки углерода в пентозе пронумерованы от 1 ‘до 5’ (штрих отличает эти остатки от остатков в основании, которые пронумерованы без использования штрихового обозначения). Основание прикреплено к положению 1 ‘рибозы, а фосфат присоединено к положению 5’.Когда образуется полинуклеотид, 5′-фосфат входящего нуклеотида присоединяется к 3′-гидроксильной группе в конце растущей цепи. Два типа пентозы содержатся в нуклеотидах: дезоксирибоза (содержится в ДНК) и рибоза (содержится в РНК). Дезоксирибоза похожа по структуре на рибозу, но имеет H вместо OH в положении 2 ‘. Основания можно разделить на две категории: пурины и пиримидины. Пурины имеют двойную кольцевую структуру, а пиримидины — одинарное кольцо.

Азотистые основания, важные компоненты нуклеотидов, представляют собой органические молекулы и названы так потому, что содержат углерод и азот.Они являются основаниями, потому что содержат аминогруппу, которая может связывать дополнительный водород, и, таким образом, снижает концентрацию ионов водорода в окружающей среде, делая его более основным. Каждый нуклеотид в ДНК содержит одно из четырех возможных азотистых оснований: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Нуклеотиды РНК также содержат одно из четырех возможных оснований: аденин, гуанин, цитозин и урацил (U), а не тимин.

Аденин и гуанин классифицируются как пуринов .Первичная структура пурина — это два углеродно-азотных кольца. Цитозин, тимин и урацил классифицируются как пиримидины , которые имеют одно углеродно-азотное кольцо в качестве первичной структуры (рис. 1). К каждому из этих основных углеродно-азотных колец присоединены разные функциональные группы. В сокращении молекулярной биологии азотистые основания обозначаются просто символами A, T, G, C и U. ДНК содержит A, T, G и C, тогда как РНК содержит A, U, G и C.

Пентозный сахар в ДНК — дезоксирибоза, а в РНК — рибоза (рис. 1).Разница между сахарами заключается в наличии гидроксильной группы на втором углероде рибозы и водорода на втором углероде дезоксирибозы. Атомы углерода молекулы сахара пронумерованы как 1 ‘, 2’, 3 ‘, 4’ и 5 ‘(1′ читается как «один штрих»). Фосфатный остаток присоединен к гидроксильной группе 5′-углерода одного сахара и гидроксильной группе 3′-углерода сахара следующего нуклеотида, что образует 5′-3’-фосфодиэфирную связь . Фосфодиэфирная связь не образуется простой реакцией дегидратации, как другие связи, соединяющие мономеры в макромолекулах: ее образование включает удаление двух фосфатных групп.Полинуклеотид может иметь тысячи таких фосфодиэфирных связей.

Структура двойной спирали ДНК

Рис. 2. ДНК представляет собой антипараллельную двойную спираль. Фосфатный каркас (изогнутые линии) находится снаружи, а основания — внутри. Каждая основа взаимодействует с основанием противоположной нити. (Источник: Джером Уокер / Деннис Митс)

ДНК

имеет структуру двойной спирали (рис. 2). Сахар и фосфат находятся на внешней стороне спирали, образуя основу ДНК.Азотистые основания уложены в интерьере, как ступени лестницы, попарно; пары связаны друг с другом водородными связями. Каждая пара оснований в двойной спирали отделена от следующей пары оснований на 0,34 нм.

Две нити спирали проходят в противоположных направлениях, а это означает, что 5 ‘углеродный конец одной нити будет обращен к 3’-угольному концу соответствующей нити. (Это называется антипараллельной ориентацией и важно для репликации ДНК и во многих взаимодействиях нуклеиновых кислот.)

Разрешены только определенные типы пары оснований. Например, определенный пурин может сочетаться только с определенным пиримидином. Это означает, что A может соединяться с T, а G может соединяться с C, как показано на рисунке 3. Это называется базовым дополнительным правилом. Другими словами, нити ДНК комплементарны друг другу. Если последовательность одной цепи представляет собой AATTGGCC, комплементарная цепь будет иметь последовательность TTAACCGG. Во время репликации ДНК каждая цепь копируется, в результате получается двойная спираль дочерней ДНК, содержащая одну родительскую цепь ДНК и вновь синтезированную цепь.

Практика

Рис. 3. В двухцепочечной молекуле ДНК две цепи идут антипараллельно друг другу, так что одна цепь проходит от 5 ‘к 3’, а другая — от 3 ‘к 5’. Фосфатный остов расположен снаружи, а основания — посередине. Аденин образует водородные связи (или пары оснований) с тимином, а пары оснований гуанина — с цитозином.

Происходит мутация, и цитозин заменяется аденином. Как вы думаете, какое влияние это окажет на структуру ДНК?

Показать ответ

Аденин больше, чем цитозин, и не сможет правильно образовать пару оснований с гуанином на противоположной цепи.Это вызовет вздутие ДНК. Ферменты репарации ДНК могут распознать выпуклость и заменить неправильный нуклеотид.

РНК

Рибонуклеиновая кислота, или РНК, в основном участвует в процессе синтеза белка под руководством ДНК. РНК обычно одноцепочечная и состоит из рибонуклеотидов, связанных фосфодиэфирными связями. Рибонуклеотид в цепи РНК содержит рибозу (пентозный сахар), одно из четырех азотистых оснований (A, U, G и C) и фосфатную группу.

Существует четыре основных типа РНК: информационная РНК (мРНК), рибосомная РНК (рРНК), транспортная РНК (тРНК) и микроРНК (миРНК). Первая, мРНК, несет информацию от ДНК, которая контролирует всю клеточную активность в клетке. Если клетке требуется синтез определенного белка, ген этого продукта включается, и информационная РНК синтезируется в ядре. Последовательность оснований РНК комплементарна кодирующей последовательности ДНК, с которой она была скопирована. Однако в РНК основание T отсутствует, а вместо него присутствует U.Если цепь ДНК имеет последовательность AATTGCGC, последовательность комплементарной РНК — UUAACGCG. В цитоплазме мРНК взаимодействует с рибосомами и другими клеточными механизмами (рис. 4).

Рис. 4. Рибосома состоит из двух частей: большой субъединицы и малой субъединицы. МРНК находится между двумя субъединицами. Молекула тРНК распознает кодон на мРНК, связывается с ним путем комплементарного спаривания оснований и добавляет правильную аминокислоту к растущей пептидной цепи.

мРНК читается в наборах из трех оснований, известных как кодоны.Каждый кодон кодирует одну аминокислоту. Таким образом, мРНК считывается и производится белковый продукт. Рибосомная РНК (рРНК) является основным компонентом рибосом, с которыми связывается мРНК. РРНК обеспечивает правильное выравнивание мРНК и рибосом; рРНК рибосомы также обладает ферментативной активностью (пептидилтрансфераза) и катализирует образование пептидных связей между двумя выровненными аминокислотами. Трансферная РНК (тРНК) — одна из самых маленьких из четырех типов РНК, обычно длиной 70–90 нуклеотидов.Он доставляет нужную аминокислоту к месту синтеза белка. Именно спаривание оснований между тРНК и мРНК позволяет вставить правильную аминокислоту в полипептидную цепь. микроРНК представляют собой самые маленькие молекулы РНК, и их роль включает регуляцию экспрессии генов путем вмешательства в экспрессию определенных сообщений мРНК.

BioMath: приложения с линейными функциями

Вторичная структура ДНК, двойная спираль, удерживается вместе водородными связями между парами оснований.В частности, основания аденина соединяются с основаниями тимина, а основания гуанина соединяются с основаниями цитозина. Нагревание образца ДНК разрушает эти водородные связи, таким образом «раскручивая» двойную спираль и денатурируя ДНК. Поскольку три водородные связи образуются между парами оснований гуанин / цитозин и две водородные связи образуются между парами оснований аденин / тимин, для денатурирования первых требуется больше энергии. ДНК с большим количеством пар оснований гуанин / цитозин денатурирует при более высокой температуре, чем пары оснований аденин / тимин.Фактически, существует линейная зависимость между количеством гуанина и цитозина в данной молекуле ДНК, известная как содержание GC, и температурой, при которой двойная спираль денатурирует, называемой точкой плавления (обозначается как t m ).

Представьте, что у вас есть несколько различных образцов ДНК, каждый размером 250 оснований. пары в длину. Предположим, что образцы растворены в буфере, содержащем 1 М NaCl и что они различаются только содержанием GC.Если бы вы рассчитали точки плавления различных молекул ДНК и нанесите ее на график относительно GC content, вы получите строку, как показано ниже:

В общем, линейное уравнение, используемое для расчета температуры плавления ДНК молекула (в ° C) есть,

где Na + — молярная концентрация (моль / л) ионов натрия и длина ДНК измеряется в парах оснований (п.н.).В следующих упражнениях предположим, что [Na + ] = 100 мМ, что означает, что температура плавления молекулы ДНК равна данный,

Используйте это уравнение, чтобы ответить на следующие вопросы:

Рассчитайте температуру плавления молекулы ДНК.

Определите процентное содержание GC в молекуле ДНК с учетом ее температуры плавления.

Сравните температуру плавления двух молекул ДНК.

Определите максимальную температуру плавления для молекулы ДНК известной длины.

*****

Наука на расстоянии

Нуклеотиды
Нуклеотиды — это строительные блоки полимеров, называемых полинуклеотидами. Каждый нуклеотидный мономер состоит из пентозного (пятиуглеродного) сахара, к которому присоединены две другие группы; фосфатная группа и азотистое основание.

Азотистое основание представляет собой либо структуру с двойным кольцом, известную как пурин, либо структуру с одним кольцом, известную как пиримидин. Есть пять общих азотистых оснований; аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил.

Нуклеотиды соединяются ковалентными связями между фосфатной группой одного нуклеотида и третьим атомом углерода пентозного сахара в следующем нуклеотиде. В результате образуется чередующийся остов сахар-фосфат-сахар-фосфат по всей полинуклеотидной цепи.

РНК

Самый простой из полинуклеотидов представляет собой одну цепь, в которой пентозный сахар всегда представляет собой рибозу. Название этого полинуклеотида происходит от сахара r ibo n ucleic a cid, сокращенного до трех букв RNA . Аденин, гуанин, цитозин и урацил — четыре азотистых основания, всегда присутствующие в РНК.

Существует несколько различных форм РНК, каждая из которых играет в клетке немного разную роль.

  • мРНК: информационная РНК — эти молекулы являются дополнительными копиями генетических сообщений, взятых из генов ДНК. Они доставляют свои «сообщения» аппарату синтеза белка в цитоплазме клетки.
  • рРНК: рибосомальная РНК — эти молекулы являются критическими структурными компонентами клеточных рибосом (крошечные структуры, важные для синтеза белка). Существует несколько видов рРНК, некоторые из них находятся в большой субъединице рибосомы, а некоторые — в малой субъединице.
  • тРНК: трансферРНК — наименьший тип РНК.Существует более 20 типов тРНК. Они действуют как связующее звено между генетическим кодом и процессом соединения аминокислот с образованием полипептидов.
ДНК

Дезоксирибоза — пентозный сахар, содержащийся в полинуклеотидах этого типа, отсюда и его название: D эоксирибо n нуклеиновая кислота A cid или ДНК . Азотистые основания, обнаруженные в ДНК, — это аденин, гуанин, цитозин и тимин.Молекулы ДНК имеют две полинуклеотидные цепи, скрепленные лестничной структурой. Сахарно-фосфатные скелеты двух цепей проходят параллельно друг другу в противоположных направлениях. Каждая «ступенька» лестницы — это пара азотистых оснований, один пурин и один пиримидин, идущие в центр молекулы.

Эти основания всегда связаны аденином с тимином
(A — T)
и гуанином с цитозином
(G — C).

Сахарно-фосфатные основы двух полинуклеотидных цепей наматываются друг на друга (превращая «лестницу» в спиральную «лестницу»).Эта надстройка известна как «двойная спираль».

ДНК действует как хранилище генетической информации. Последовательность оснований по длине является «языком» клетки и кодом всех ее белков. ДНК также является молекулой наследственности. Когда клетка или многоклеточный организм воспроизводятся половым или бесполым путем, генетическая информация, хранящаяся в молекулах ДНК, точно копируется, и точные копии этих молекул ДНК передаются от одного поколения к другому.

Что такое правило сопряжения дополнительных баз?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) кодирует всю клеточную и генетическую информацию на Земле. Вся клеточная жизнь, от мельчайших бактерий до крупнейших китов в океане, использует ДНК в качестве генетического материала.

Примечание: Некоторые вирусы используют ДНК в качестве генетического материала. Однако некоторые вирусы вместо этого используют РНК.

ДНК — это тип нуклеиновой кислоты, состоящий из множества субъединиц, называемых нуклеотидами.Каждый нуклеотид состоит из трех частей: 5-углеродного сахара рибозы, фосфатной группы и азотистого основания. Две дополнительных нити ДНК соединяются благодаря водородной связи между азотистыми основаниями, что позволяет ДНК образовывать лестничную форму, которая скручивается в знаменитую двойную спираль.

Это связь между азотистыми основаниями, которая позволяет этой структуре формироваться. В ДНК есть четыре варианта азотистых оснований: аденин (A), тимин (T), цитозин (C) и гуанин (G).Каждая база может связываться только друг с другом, A с T и C с G. Это называется правилом комплементарной пары оснований или правилом Чаргаффа .

Четыре азотистых основания

В нуклеотидных субъединицах ДНК четыре азотистых основания:

  1. Аденин (A)
  2. Тимин (T)
  3. Цитозин (C)
  4. )

Каждое из этих оснований можно разделить на две категории: пуриновых оснований и пиримидиновых оснований .

Аденин и гуанин являются примерами пуриновых оснований . Это означает, что их структура представляет собой азотсодержащее кольцо с шестью атомами, соединенное с пятиатомным азотсодержащим кольцом, которые разделяют два атома для объединения двух колец.

Тимин и цитозин являются примерами пиримидиновых оснований . Эти основания состоят из одного азотсодержащего кольца из шести атомов.

Примечание: РНК заменяет тимин другим пиримидиновым основанием, называемым урацилом (U).

Правило Чаргаффа

Правило Чаргаффа, также известное как правило комплементарного спаривания оснований, гласит, что пары оснований ДНК всегда представляют собой аденин с тимином (A-T) и цитозин с гуанином (C-G). Пурин всегда сочетается с пиримидином, и наоборот. Однако A не соединяется с C, несмотря на то, что это пурин и пиримидин.

Это правило названо в честь ученого Эрвина Чаргаффа, который обнаружил, что практически во всех молекулах ДНК существуют практически равные концентрации аденина и тимина, а также гуанина и цитозина.Эти соотношения могут варьироваться между организмами, но фактические концентрации A всегда по существу равны T и одинаковы для G и C. Например, у людей это примерно:

  • 30,9% Аденин
  • 29,4% Тимин
  • 19,8% Цитозин
  • 19,9 процентов Гуанин

Это поддерживает дополнительное правило, согласно которому A должен сочетаться с T, а C должен сочетаться с G.

Объяснение правила Чаргаффа

Но почему это так?

Это связано как с водородной связью, , которая соединяет комплементарные цепи ДНК, так и с доступным пространством между двумя цепями.

Во-первых, между двумя комплементарными цепями ДНК примерно 20 Å (где один ангстрем равен 10 -10 метра). Два пурина и два пиримидина вместе просто займут слишком много места, чтобы уместиться в пространстве между двумя нитями. Вот почему A не может связываться с G, а C не может связываться с T.

Но почему вы не можете поменять местами, какие пуриновые связи с какими пиримидином? Ответ связан с водородными связями , которые соединяют основания и стабилизируют молекулу ДНК.

Единственные пары, которые могут создавать водородные связи в этом пространстве, — это аденин с тимином и цитозин с гуанином. A и T образуют две водородные связи, а C и G — три. Именно эти водородные связи соединяют две нити и стабилизируют молекулу, что позволяет ей образовывать лестничную двойную спираль.

Использование правил комплементарного спаривания оснований

Зная это правило, вы можете вычислить комплементарную цепь одиночной цепи ДНК, основываясь только на последовательности пары оснований.Например, предположим, что вам известна последовательность одной цепи ДНК, которая выглядит следующим образом:

Используя правила комплементарного спаривания оснований, вы можете сделать вывод, что комплементарная цепь:

цепей РНК также являются комплементарными, за исключением того, что РНК использует урацил. вместо тимина. Таким образом, вы также можете сделать вывод о цепи мРНК, которая будет производиться из этой первой цепи ДНК. Это будет:

пар оснований — The School of Biomedical Sciences Wiki

Из Вики Школы биомедицинских наук

В модели ДНК Уотсона и Крика, двойной спирали, две цепи ДНК соединены друг с другом водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями.Эти водородные связи имеют прочность 4-21 кДж / моль 1 [1] .

В ДНК аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин всегда соединяется с гуанином. В РНК урацил заменяет тимин, поэтому в РНК аденин всегда соединяется с урацилом. Тимин и урацил или аденин имеют две водородные связи между собой, тогда как гуанин и цитозин имеют три. Следовательно, ДНК с большей долей гуанина и цитозина более стабильна, и для разрыва двух цепей ДНК требуется больше энергии.

Конструкция

Спаривание оснований в спирали ДНК помогает определить ее структуру. Из-за различных взаимодействий между основаниями спираль дцДНК совершает полный оборот вокруг своей оси каждые десять оснований. Каждое основание позволяет спирали поворачиваться на тридцать шесть градусов [2] .

Пурины и пиримидины

Аденин и гуанин являются пуриновыми основаниями, это означает, что они имеют двойную кольцевую структуру. Цитозин, урацил (присутствует только в РНК) и тимин — пиримидины и имеют одинарные кольцевые структуры.Эти основания содержат азот в своих кольцевых соединениях. [3] Пурины соединяются только с пиримидинами, а пиримидины — только с пуринами. Это одна из причин, почему изменение поперечного спаривания оснований может иметь такие катастрофические последствия для структуры белка, поскольку водородные связи не возникают между двумя пуринами или двумя пиримидинами [4] . Прежде чем Уотсон и Крик представили структуру ДНК, Эрвин Чаргафф в 1950-х годах открыл химический метод, с помощью которого он мог определять молярную концентрацию любого из оснований в источнике ДНК.Из того, что обнаружил Чаргафф, он заметил некоторые закономерности в молярных концентрациях оснований, на основе своих результатов он разработал некоторые правила [5] .

Правила Чаргаффа

  • Количество аденина такое же, как количество тимина. [A] = [T]
  • Количество гуанина такое же, как и количество цитозина. [G] = [C]
  • Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований. [A] + [G] = [T] + [C]

Базовое штабелирование

В двойной спирали ДНК, помимо комплементарных пар оснований, они также наложены друг на друга.