A DNS genetikai szerveződése. Szakdolgozat: A genetikai anyag szerkezeti és funkcionális szerveződése. Az örökletes anyag önreprodukciója. DNS replikáció

A jobb oldalon látható a várnai (Bulgária) tengerpartján a legnagyobb emberi DNS-spirál, amely 2016. április 23-án bekerült a Guinness Rekordok Könyvébe.

Dezoxiribonukleinsav. Általános információ

A DNS (dezoxiribonukleinsav) egyfajta életrajz, egy összetett kód, amely örökletes információkkal kapcsolatos adatokat tartalmaz. Ez az összetett makromolekula képes az örökletes genetikai információk tárolására és továbbítására generációról generációra. A DNS meghatározza bármely élő szervezet olyan tulajdonságait, mint az öröklődés és a változékonyság. A benne kódolt információ meghatározza bármely élő szervezet teljes fejlődési programját. A genetikailag beágyazott tényezők előre meghatározzák az ember és bármely más szervezet teljes életútját. A külső környezet mesterséges vagy természetes hatása csak kis mértékben befolyásolhatja az egyes genetikai tulajdonságok általános súlyosságát, vagy befolyásolhatja a programozott folyamatok fejlődését.

Dezoxiribonukleinsav(DNS) egy makromolekula (a három fő közül az egyik, a másik kettő az RNS és a fehérjék), amely biztosítja a tárolást, a nemzedékről nemzedékre történő átvitelt és az élő szervezetek fejlődését és működését biztosító genetikai program végrehajtását. A DNS információkat tartalmaz a különböző típusú RNS-ek és fehérjék szerkezetéről.

Az eukarióta sejtekben (állatok, növények és gombák) a DNS a sejtmagban a kromoszómák részeként, valamint egyes sejtszervecskékben (mitokondriumokban és plasztidokban) található. A prokarióta szervezetek (baktériumok és archaeák) sejtjeiben belülről körkörös vagy lineáris DNS-molekula, az úgynevezett nukleoid kapcsolódik a sejtmembránhoz. Nekik és az alacsonyabb rendű eukariótáknak (például az élesztőknek) is vannak kis autonóm, többnyire kör alakú DNS-molekulái, amelyeket plazmidoknak neveznek.

Kémiai szempontból a DNS egy hosszú polimer molekula, amely ismétlődő blokkokból - nukleotidokból áll. Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból, egy cukorból (dezoxiribóz) és egy foszfátcsoportból áll. A láncban lévő nukleotidok közötti kötéseket a dezoxiribóz ( VAL VEL) és foszfát ( F) csoportok (foszfodiészter kötések).


Rizs. 2. A nukleid egy nitrogéntartalmú bázisból, cukorból (dezoxiribóz) és egy foszfátcsoportból áll

Az esetek túlnyomó többségében (kivéve néhány egyszálú DNS-t tartalmazó vírust) a DNS makromolekula két láncból áll, amelyeket nitrogénbázisok orientálnak egymáshoz. Ez a kétszálú molekula csavarvonalban csavarodott.

A DNS-ben négy típus létezik nitrogéntartalmú bázisok(adenin, guanin, timin és citozin). Az egyik lánc nitrogéntartalmú bázisai hidrogénkötésekkel kapcsolódnak a másik lánc nitrogénbázisaihoz a komplementaritás elve szerint: az adenin csak a timinnel kombinálódik ( NÁL NÉL), guanin - csak citozinnal ( G-C). Ezek a párok alkotják a DNS spirális "létrájának" "fokait" (lásd: 2., 3. és 4. ábra).


Rizs. 2. Nitrogéntartalmú bázisok

A nukleotidok szekvenciája lehetővé teszi az RNS különböző típusaira vonatkozó információk "kódolását", amelyek közül a legfontosabbak az információs vagy templát (mRNS), riboszómális (rRNS) és transzport (tRNS). Az összes ilyen típusú RNS szintetizálódik a DNS-templáton úgy, hogy a DNS-szekvenciát a transzkripció során szintetizált RNS-szekvenciába másolja, és részt vesz a fehérje bioszintézisében (transzlációs folyamat). A sejt-DNS a kódoló szekvenciákon kívül olyan szekvenciákat is tartalmaz, amelyek szabályozó és szerkezeti funkciókat látnak el.


Rizs. 3. DNS replikáció

Az alapvető kombinációk elhelyezkedése kémiai vegyületek A DNS és e kombinációk közötti kvantitatív kapcsolatok biztosítják az örökletes információk kódolását.

Oktatás új DNS (replikáció)

  1. A replikáció folyamata: a DNS kettős hélix feltekercselése - komplementer szálak szintézise DNS polimeráz által - két DNS-molekula képződése egyből.
  2. A kettős hélix két ágra "bontja ki a cipzárt", amikor az enzimek megszakítják a kötést a kémiai vegyületek bázispárjai között.
  3. Mindegyik ág egy új DNS-elem. Az új bázispárok ugyanabban a sorrendben kapcsolódnak össze, mint a szülőágban.

A duplikáció befejeztével két független hélix jön létre, amelyek az anya-DNS kémiai vegyületeiből jönnek létre, és ugyanazzal a genetikai kóddal rendelkeznek. Ily módon a DNS képes az információt sejtről sejtre hasítani.

Részletesebb információ:

A NULEINSAVAK SZERKEZETE


Rizs. 4. Nitrogénbázisok: adenin, guanin, citozin, timin

Dezoxiribonukleinsav(DNS) nukleinsavakat jelent. Nukleinsavak a szabálytalan biopolimerek osztálya, amelyek monomerjei nukleotidok.

NUKLEOTIDOK magába foglal nitrogén bázis 5 szénhidráthoz (pentóz) kapcsolódik - dezoxiribóz(DNS esetén) ill ribóz(RNS esetén), amely egy foszforsav-maradékkal (H 2 PO 3 -) egyesül.

Nitrogéntartalmú bázisok Két típusa van: pirimidin bázisok - uracil (csak RNS-ben), citozin és timin, purin bázisok - adenin és guanin.


Rizs. 5. ábra: A nukleotidok szerkezete (balra), a nukleotid elhelyezkedése a DNS-ben (lent) és a nitrogénbázisok típusai (jobbra): pirimidin és purin


A pentózmolekulák szénatomjai 1-től 5-ig vannak számozva. A foszfát a harmadik és az ötödik szénatommal egyesül. A nukleinsavak így kapcsolódnak egymáshoz, és így nukleinsavláncot alkotnak. Így izolálhatjuk a DNS-szál 3' és 5' végét:


Rizs. 6. A DNS-szál 3' és 5' végének izolálása

Két DNS-szál képződik kettős spirál. Ezek a spirálban lévő láncok ellentétes irányúak. A DNS különböző szálaiban a nitrogénbázisok a segítségével kapcsolódnak egymáshoz hidrogénkötések. Az adenin mindig timinnel, a citozin pedig mindig guaninnal kombinálódik. Ez az úgynevezett komplementaritási szabály.

Komplementaritási szabály:

A-T G-C

Például, ha kapunk egy DNS-szálat, amely a szekvenciával rendelkezik

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

akkor a második lánc kiegészíti azt, és az ellenkező irányba irányítja - az 5'-végtől a 3'-végig:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.


Rizs. 7. A DNS-molekula láncainak iránya és a nitrogénbázisok kapcsolódása hidrogénkötések segítségével

DNS REPLIKÁCIÓ

DNS replikáció egy DNS-molekula megkettőzésének folyamata azáltal mátrix szintézis. A legtöbb esetben a természetes DNS-replikációalapozómert a DNS-szintézis az rövid részlet (újra létrehozva). Az ilyen ribonukleotid primert a primáz enzim hozza létre (prokariótákban DNS-primáz, eukariótákban DNS-polimeráz), majd ezt követően dezoxiribonukleotid-polimeráz helyettesíti, amely normál esetben javító funkciókat lát el (korrigálja a DNS-molekula kémiai károsodásait és töréseit).

A replikáció félig konzervatív módon történik. Ez azt jelenti, hogy a DNS kettős hélixe feltekerődik, és a komplementaritás elve szerint minden láncon új lánc készül. A leány-DNS-molekula tehát egy szálat tartalmaz a szülőmolekulából és egy újonnan szintetizáltat. A replikáció a szülőszál 3'-5' irányában történik.

Rizs. 8. A DNS-molekula replikációja (duplázódása).

DNS szintézis- ez nem olyan bonyolult folyamat, mint amilyennek első pillantásra tűnhet. Ha belegondolsz, akkor először ki kell találnod, mi a szintézis. Ez az a folyamat, amikor valamit összehozunk. Az új DNS-molekula kialakulása több szakaszban történik:

1) A replikációs villa előtt elhelyezkedő DNS-topoizomeráz elvágja a DNS-t, hogy megkönnyítse a le- és letekercselést.
2) A topoizomerázt követő DNS-helikáz befolyásolja a DNS-hélix "letekercselésének" folyamatát.
3) A DNS-kötő fehérjék elvégzik a DNS-szálak megkötését, valamint stabilizálásukat, megakadályozva azok egymáshoz tapadását.
4) DNS polimeráz δ(delta) , a replikációs villa mozgási sebességével összehangolva végzi a szintézistvezetőláncok leányvállalat DNS a mátrixon 5" → 3" irányban anyai DNS-szálak a 3"-os végétől az 5"-es végéig (sebesség akár 100 bázispár másodpercenként). Ezek az események erről anyai A DNS-szálak korlátozottak.



Rizs. 9. A DNS-replikációs folyamat sematikus ábrázolása: (1) Lemaradó szál (lag szál), (2) Leading szál (vezető szál), (3) DNS polimeráz α (Polα), (4) DNS ligáz, (5) RNS -primer, (6) primáz, (7) Okazaki fragmentum, (8) DNS polimeráz δ (Polδ ), (9) helikáz, (10) egyszálú DNS-kötő fehérjék, (11) topoizomeráz.

A lemaradt leány DNS-szál szintézisét az alábbiakban ismertetjük (lásd alább). rendszer replikációs villa és a replikációs enzimek funkciói)

A DNS-replikációval kapcsolatos további információkért lásd:

5) Közvetlenül az anyamolekula másik szálának letekercselése és stabilizálása után csatlakozikDNS polimeráz α(alfa)és az 5. irányban "→3" primert (RNS primert) szintetizál - egy DNS-templáton lévő RNS-szekvenciát, amelynek hossza 10-200 nukleotid. Ezt követően az enzimeltávolítjuk a DNS-szálból.

Ahelyett DNS polimerázα az alapozó 3"-os végéhez rögzítve DNS polimerázε .

6) DNS polimerázε (epszilon) mintha továbbra is meghosszabbítja az alapozót, hanem szubsztrátumként beágyazódikdezoxiribonukleotidok(150-200 nukleotid mennyiségben). Az eredmény egy két részből álló tömör szál -RNS(azaz alapozó) és DNS. DNS polimeráz εaddig működik, amíg nem találkozik az előző primeréveltöredék Okazaki(kicsit korábban szintetizálva). Ezt az enzimet ezután eltávolítják a láncból.

7) DNS polimeráz β(béta) áll a helyénDNS polimerázok ε,ugyanabba az irányba mozog (5" → 3"), és eltávolítja a primer ribonukleotidokat, miközben dezoxiribonukleotidokat helyez be a helyükre. Az enzim a primer teljes eltávolításáig fejti ki hatását, azaz. dezoxiribonukleotidig (még inkább korábban szintetizáltDNS polimeráz ε). Az enzim nem képes összekapcsolni munkája eredményét és az előtte lévő DNS-t, így kilép a láncból.

Ennek eredményeként a leány-DNS egy töredéke "fekszik" az anyaszál mátrixán. Ez az úgynevezettOkazaki töredéke.

8) A DNS-ligáz két szomszédos ligát köt össze töredékek Okazaki , azaz 5 "-vége a szegmensnek, szintetizálvaDNS polimeráz ε,és 3" láncvég beépítveDNS polimerázβ .

AZ RNS ​​SZERKEZETE

Ribonukleinsav Az RNS egyike annak a három fő makromolekulának (a másik kettő a DNS és a fehérjék), amelyek minden élő szervezet sejtjében megtalálhatók.

A DNS-hez hasonlóan az RNS is egy hosszú láncból áll, amelyben minden láncszemet hívnak nukleotid. Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból, egy ribózcukorból és egy foszfátcsoportból áll. A DNS-től eltérően azonban az RNS-nek általában egy, nem pedig két szála van. Az RNS-ben a pentózt ribóz képviseli, nem dezoxiribóz (a ribóznak van egy további hidroxilcsoportja a második szénhidrátatomon). Végül a DNS különbözik az RNS-től a nitrogénbázisok összetételében: timin helyett ( T) uracil van jelen az RNS-ben ( U) , amely szintén kiegészíti az adenint.

A nukleotidszekvencia lehetővé teszi az RNS számára, hogy genetikai információt kódoljon. Minden sejtes organizmus RNS-t (mRNS) használ a fehérjeszintézis programozásához.

A sejtes RNS-ek az ún átírása , azaz az RNS szintézise DNS-templáton, amelyet speciális enzimek hajtanak végre - RNS polimerázok.

A hírvivő RNS-ek (mRNS-ek) ezután részt vesznek az ún adás, azok. fehérjeszintézis az mRNS templáton riboszómák részvételével. Más RNS-ek a transzkripció után kémiai módosulásokon mennek keresztül, majd a másodlagos és harmadlagos struktúrák kialakulása után az RNS típusától függő funkciókat látnak el.

Rizs. 10. A DNS és az RNS közötti különbség a nitrogénbázis tekintetében: az RNS timin (T) helyett uracilt (U) tartalmaz, amely szintén komplementer az adeninnel.

ÁTÍRÁS

Ez az RNS-szintézis folyamata egy DNS-templáton. A DNS az egyik helyen letekerődik. Az egyik lánc olyan információt tartalmaz, amelyet az RNS-molekulára kell másolni – ezt a láncot kódolásnak nevezik. A DNS második szálát, amely komplementer a kódoló szálhoz, templátszálnak nevezzük. A templátláncon 3'-5' irányban (a DNS-lánc mentén) történő transzkripció során egy azzal komplementer RNS-lánc szintetizálódik. Így a kódoló szál RNS-másolata jön létre.

Rizs. 11. A transzkripció sematikus ábrázolása

Például, ha megadjuk a kódoló szál szekvenciáját

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

akkor a komplementaritás szabálya szerint a mátrixlánc viszi a sorozatot

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

és a belőle szintetizált RNS a szekvencia

ADÁS

Fontolja meg a mechanizmust protein szintézis az RNS-mátrixon, valamint a genetikai kódon és annak tulajdonságaiban. Az érthetőség kedvéért az alábbi linken javasoljuk, hogy nézzen meg egy rövid videót az élő sejtben végbemenő átírási és fordítási folyamatokról:

Rizs. 12. A fehérjeszintézis folyamata: a DNS kódolja az RNS-t, az RNS kódolja a fehérjét

GENETIKAI KÓD

Genetikai kód- eljárás fehérjék aminosavszekvenciájának kódolására nukleotidszekvencia felhasználásával. Minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol – egy kodon vagy egy triplett.

A legtöbb pro- és eukarióta genetikai kódja. A táblázat felsorolja mind a 64 kodont és felsorolja a megfelelő aminosavakat. Az alapsorrend az mRNS 5"-től 3"-ig terjed.

1. táblázat: Szabványos genetikai kód

1
az alap

nie

2. alap

3
az alap

nie

U

C

A

G

U

U U U

(Phe/F)

U C U

(Ser/S)

U A U

(Tyr/Y)

U G U

(Cys/C)

U

U U C

U C C

U A C

U G C

C

U U A

(Leu/L)

U C A

U A A

Stop kodon**

U G A

Stop kodon**

A

U U G

U C G

U A G

Stop kodon**

U G G

(Trp/W)

G

C

C U U

C C U

(Támaszt)

C A U

(Ő/H)

C G U

(Arg/R)

U

C U C

C C C

C A C

C G C

C

C U A

C C A

C A A

(Gln/Q)

CGA

A

C U G

C C G

C A G

C G G

G

A

A U U

(Ile/I)

A C U

(Thr/T)

A A U

(Asn/N)

A G U

(Ser/S)

U

A U C

A C C

A A C

A G C

C

A U A

A C A

A A A

(Lys/K)

A G A

A

A U G

(Met/M)

A C G

A A G

A G G

G

G

G U U

(Val/V)

G C U

(Ala/A)

G A U

(Asp/D)

G G U

(Gly/G)

U

G U C

G C C

G A C

G G C

C

G U A

G C A

G A A

(Ragasztó)

G G A

A

G U G

G C G

G A G

G G G

G

A hármasok között 4 speciális sorozat található, amelyek "írásjelként" működnek:

  • *Hármas AUGUSZTUS, amely szintén metionint kódol, az úgynevezett start kodon. Ez a kodon elindítja a fehérje molekula szintézisét. Így a fehérjeszintézis során az első aminosav a szekvenciában mindig a metionin lesz.
  • **Hármas ikrek UAA, UAGÉs UGA hívott stop kodonokés nem kódol semmilyen aminosavat. Ezeknél a szekvenciáknál a fehérjeszintézis leáll.

Tulajdonságok genetikai kód

1. Hármasság. Minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol – egy triplett vagy kodon.

2. Folytonosság. A tripletek között nincsenek további nukleotidok, az információ folyamatosan olvasható.

3. Nem átfedő. Egy nukleotid nem lehet egyszerre két hármas része.

4. Egyediség. Egy kodon csak egy aminosavat kódolhat.

5. Degeneráció. Egy aminosavat több különböző kodon is kódolhat.

6. Sokoldalúság. A genetikai kód minden élő szervezetre azonos.

Példa. Megadjuk a kódoló szál sorrendjét:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

A mátrixlánc sorrendje a következő lesz:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Most információs RNS-t "szintetizálunk" ebből a láncból:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

A fehérjeszintézis 5' → 3' irányba megy, ezért meg kell fordítanunk a szekvenciát, hogy "beolvassuk" a genetikai kódot:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Most keresse meg az AUG kezdőkodont:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Oszd fel a sorozatot hármasokra:

így hangzik: a DNS-ből származó információ átkerül az RNS-be (transzkripció), az RNS-ből a fehérjébe (transzláció). A DNS replikációval is duplikálható, illetve reverz transzkripciós folyamat is lehetséges, amikor RNS-templátból szintetizálják a DNS-t, de ez a folyamat elsősorban a vírusokra jellemző.


Rizs. 13. központi dogma molekuláris biológia

GENOM: GÉNEK ÉS KROMOSZÓMÁK

(általános fogalmak)

Genom – egy szervezet összes génjének összessége; teljes kromoszómakészlete.

A "genom" kifejezést G. Winkler javasolta 1920-ban az azonos biológiai fajhoz tartozó szervezetek haploid kromoszómakészletében található gének összességének leírására. A kifejezés eredeti jelentése arra utalt, hogy a genom fogalma a genotípussal ellentétben a faj egészének genetikai jellemzője, nem pedig egy egyedé. A molekuláris genetika fejlődésével ennek a kifejezésnek a jelentése megváltozott. Ismeretes, hogy a DNS, amely a legtöbb szervezetben a genetikai információ hordozója, és ezért a genom alapját képezi, nemcsak a szó mai értelmében vett géneket foglalja magában. Az eukarióta sejtek DNS-ének nagy részét nem kódoló („redundáns”) nukleotidszekvenciák képviselik, amelyek nem tartalmaznak információt a fehérjékről és a nukleinsavakról. Így bármely organizmus genomjának fő része a haploid kromoszómakészlet teljes DNS-e.

A gének olyan DNS-molekulák szegmensei, amelyek polipeptideket és RNS-molekulákat kódolnak.

Az elmúlt évszázad során a génekkel kapcsolatos ismereteink jelentősen megváltoztak. Korábban a genom egy kromoszóma olyan régiója volt, amely egy-egy tulajdonságot kódol vagy meghatároz. fenotípusos(látható) tulajdonság, például szemszín.

1940-ben George Beadle és Edward Tatham javasolta a gén molekuláris meghatározását. A tudósok gomba spórákat dolgoztak fel Neurospora crassa röntgensugarakés egyéb ügynökök változást okozva a DNS szekvenciában ( mutációk), és olyan mutáns gombatörzseket találtak, amelyek elveszítettek néhány specifikus enzimet, ami egyes esetekben az egész folyamat megsértéséhez vezetett. anyagcsere út. Beadle és Tatham arra a következtetésre jutott, hogy a gén a genetikai anyag egy része, amely egyetlen enzimet határoz meg vagy kódol. Így a hipotézis "egy gén, egy enzim". Ezt a fogalmat később kiterjesztették a meghatározásra "egy gén - egy polipeptid", mivel sok gén olyan fehérjéket kódol, amelyek nem enzimek, és a polipeptid egy komplex fehérjekomplex alegysége lehet.

ábrán. A 14. ábra azt mutatja be, hogy a DNS-hármasok hogyan határoznak meg egy polipeptidet, egy fehérje aminosavszekvenciáját, amelyet mRNS közvetít. Az egyik DNS-szál az mRNS szintézisében a templát szerepét tölti be, amelynek nukleotidhármasai (kodonjai) komplementerek a DNS-hármasokkal. Egyes baktériumokban és sok eukarióta esetében a kódoló szekvenciákat nem kódoló régiók szakítják meg (ún. intronok).

A gén modern biokémiai meghatározása még konkrétabban. A gének a DNS valamennyi szakasza, amely a végtermékek elsődleges szekvenciáját kódolja, amelyek közé tartoznak a szerkezeti vagy katalitikus funkcióval rendelkező polipeptidek vagy RNS-ek.

A DNS a génekkel együtt más szekvenciákat is tartalmaz, amelyek kizárólag szabályozó funkciót látnak el. Szabályozási szekvenciák jelezheti a gének kezdetét vagy végét, befolyásolhatja a transzkripciót, vagy jelezheti a replikáció vagy rekombináció beindulási helyét. Egyes géneket különböző módon lehet kifejezni, és ugyanaz a DNS-darab szolgál templátként különböző termékek előállításához.

Nagyjából ki tudjuk számolni minimális génméret intermedier fehérjét kódol. A polipeptidláncban minden aminosavat három nukleotidból álló szekvencia kódol; ezeknek a tripletteknek (kodonoknak) a szekvenciája megfelel az adott gén által kódolt polipeptid aminosavláncának. Egy 350 aminosavból álló polipeptidlánc (közepes hosszúságú lánc) 1050 bp hosszúságú szekvenciának felel meg. ( bp). Sok eukarióta gént és néhány prokarióta gént azonban megszakítanak olyan DNS-szegmensek, amelyek nem hordoznak információt a fehérjéről, és ezért sokkal hosszabbnak bizonyulnak, mint azt egy egyszerű számítás mutatja.

Hány gén található egy kromoszómán?


Rizs. 15. Kromoszómák képe prokarióta (balra) és eukarióta sejtekben. A hisztonok a nukleáris fehérjék széles osztályát alkotják, amelyek két fő funkciót látnak el: részt vesznek a DNS-szálak becsomagolásában a sejtmagban, valamint a nukleáris folyamatok epigenetikai szabályozásában, mint például a transzkripció, replikáció és javítás.

Mint tudják, a bakteriális sejteknek DNS-szál formájában van egy kromoszómája, kompakt szerkezetbe csomagolva - egy nukleoidba. prokarióta kromoszóma Escherichia coli, melynek genomja teljesen dekódolt, egy kör alakú DNS-molekula (valójában ez nem egy szabályos kör, hanem egy hurok kezdete és vége nélkül), amely 4 639 675 bp-ból áll. Ez a szekvencia körülbelül 4300 fehérjegént és további 157 gént tartalmaz a stabil RNS-molekulák számára. BAN BEN emberi genom körülbelül 3,1 milliárd bázispár, amely 24 különböző kromoszómán található csaknem 29 000 génnek felel meg.

Prokarióták (baktériumok).

Baktérium E. coli egy kétszálú, körkörös DNS-molekulával rendelkezik. 4 639 675 b.p. és eléri a körülbelül 1,7 mm-t, ami meghaladja magának a cellának a hosszát E. coli körülbelül 850 alkalommal. A nukleoid részeként a nagy körkörös kromoszómán kívül sok baktérium tartalmaz egy vagy több kis, körkörös DNS-molekulát, amelyek szabadon helyezkednek el a citoszolban. Ezeket az extrakromoszómális elemeket ún plazmidok(16. ábra).

A legtöbb plazmid csak néhány ezer bázispárból áll, néhány 10 000 bp-nál is többet tartalmaz. Genetikai információt hordoznak, és replikálódnak, hogy leányplazmidokat képezzenek, amelyek a szülősejt osztódása során jutnak be a leánysejtekbe. A plazmidok nemcsak baktériumokban, hanem élesztőben és más gombákban is megtalálhatók. Sok esetben a plazmidok nem nyújtanak előnyt a gazdasejtek számára, és egyetlen feladatuk az önálló szaporodás. Egyes plazmidok azonban a gazdaszervezet számára hasznos géneket hordoznak. Például a plazmidokban lévő gének rezisztenciát biztosíthatnak az antibakteriális szerekkel szemben a baktériumsejtekben. A β-laktamáz gént hordozó plazmidok rezisztenciát biztosítanak a β-laktám antibiotikumokkal, például a penicillinnel és az amoxicillinnel szemben. A plazmidok átjuthatnak az antibiotikum-rezisztens sejtekből ugyanazon vagy különböző baktériumfajok más sejtjeibe, így ezek a sejtek is rezisztenssé válnak. Az antibiotikumok intenzív használata erőteljes szelektív faktor, amely elősegíti az antibiotikum-rezisztenciát kódoló plazmidok (valamint a hasonló géneket kódoló transzpozonok) terjedését a kórokozó baktériumok között, és több antibiotikummal szemben rezisztens baktériumtörzsek megjelenéséhez vezet. Az orvosok kezdik megérteni az antibiotikumok széles körű használatának veszélyeit, és csak akkor írják fel őket, ha feltétlenül szükséges. Hasonló okok miatt korlátozott az antibiotikumok széles körben elterjedt alkalmazása a haszonállatok kezelésére.

Lásd még: Ravin N.V., Shestakov S.V. Prokarióták genomja // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. No. 4/2. 972-984.

Eukarióták.

2. táblázat: Néhány élőlény DNS-e, génjei és kromoszómái

megosztott DNS,

b.s.

kromoszómák száma*

A gének hozzávetőleges száma

Escherichia coli(baktérium)

4 639 675

4 435

Saccharomyces cerevisiae(élesztő)

12 080 000

16**

5 860

Caenorhabditis elegans(fonálféreg)

90 269 800

12***

23 000

Arabidopsis thaliana(növény)

119 186 200

33 000

Drosophila melanogaster(muslica)

120 367 260

20 000

Oryza sativa(rizs)

480 000 000

57 000

Mus izom(egér)

2 634 266 500

27 000

Homo sapiens(Emberi)

3 070 128 600

29 000

Jegyzet. Az információk folyamatosan frissülnek; További naprakész információkért tekintse meg az egyes genomikai projektek webhelyeit.

* Az élesztő kivételével minden eukarióta esetében a diploid kromoszómakészlet adott. diploid készlet kromoszómák (a görög diploos - kettős és eidos - nézetből) - kettős kromoszómakészlet (2n), amelyek mindegyikének van egy homológja.
**Haploid készlet. A vadon élő élesztőtörzsek általában nyolc (oktaploid) vagy több ilyen kromoszómával rendelkeznek.
***Két X kromoszómával rendelkező nőstények számára. A férfiaknak van X kromoszómája, de nincs Y kromoszómája, azaz csak 11 kromoszómája.

Egy élesztősejt, az egyik legkisebb eukarióta, 2,6-szor több DNS-t tartalmaz, mint egy sejt E. coli(2. táblázat). gyümölcslégysejtek Drosophila, a genetikai kutatás klasszikus tárgya, 35-ször több DNS-t tartalmaz, az emberi sejtek pedig körülbelül 700-szor több DNS-t tartalmaznak, mint a sejtek. E. coli. Sok növény és kétéltű még több DNS-t tartalmaz. Az eukarióta sejtek genetikai anyaga kromoszómák formájában szerveződik. Diploid kromoszómakészlet (2 n) az élőlény típusától függ (2. táblázat).

Például egy emberi szomatikus sejtben 46 kromoszóma van ( rizs. 17). Minden kromoszóma egy eukarióta sejtben, amint az az ábrán látható. 17, A, egy nagyon nagy, kétszálú DNS-molekulát tartalmaz. Huszonnégy emberi kromoszóma (22 páros kromoszóma és két X és Y nemi kromoszóma) hossza több mint 25-ször különbözik egymástól. Minden eukarióta kromoszóma egy meghatározott génkészletet tartalmaz.


Rizs. 17. eukarióta kromoszómák.A- egy pár összekapcsolt és kondenzált testvérkromatid az emberi kromoszómából. Ebben a formában az eukarióta kromoszómák a replikáció után és a mitózis során metafázisban maradnak. b- a könyv egyik szerzőjének leukocitájából származó kromoszómák teljes készlete. Minden normál emberi szomatikus sejt 46 kromoszómát tartalmaz.

Ha a DNS-molekulák összekapcsolódnak emberi genom(22 kromoszóma és X és Y kromoszóma vagy X és X), körülbelül egy méter hosszú sorozatot kapunk. Megjegyzés: Minden emlősben és más heterogametikus hím szervezetben a nőstényeknek két X kromoszómája (XX), a hímeknek pedig egy X kromoszómája és egy Y kromoszómája (XY) van.

A legtöbb emberi sejt, így az ilyen sejtek teljes DNS-hossza körülbelül 2 m. Egy felnőtt embernek körülbelül 10 14 sejtje van, tehát az összes DNS molekula teljes hossza 2・10 11 km. Összehasonlításképpen a Föld kerülete 4・10 4 km, a Föld és a Nap távolsága pedig 1,5・10 8 km. Így van a sejtjeinkben elképesztően tömören csomagolt DNS!

Az eukarióta sejtekben vannak más DNS-t tartalmazó organellumok - ezek a mitokondriumok és a kloroplasztiszok. Számos hipotézist terjesztettek elő a mitokondriális és kloroplasztisz DNS eredetével kapcsolatban. Ma általánosan elfogadott álláspont szerint ezek az ősi baktériumok kromoszómáinak kezdetei, amelyek behatoltak a gazdasejtek citoplazmájába, és ezeknek az organellumoknak az előfutáraivá váltak. A mitokondriális DNS a mitokondriális tRNS-t és rRNS-t, valamint számos mitokondriális fehérjét kódol. A mitokondriális fehérjék több mint 95%-át a nukleáris DNS kódolja.

A GÉNEK SZERKEZETE

Tekintsük a gén szerkezetét prokariótákban és eukariótákban, hasonlóságaikat és különbségeiket. Annak ellenére, hogy egy gén a DNS egy olyan szakasza, amely csak egy fehérjét vagy RNS-t kódol, a közvetlen kódoló részen kívül olyan szabályozó és egyéb szerkezeti elemeket is tartalmaz, amelyek a prokariótákban és az eukariótákban eltérő szerkezettel rendelkeznek.

kódoló szekvencia- a gén fő szerkezeti és funkcionális egysége, benne vannak a kódoló nukleotidhármasokaminosav szekvencia. Kezdőkodonnal kezdődik és stopkodonnal végződik.

A kódoló szekvencia előtt és után vannak nem lefordított 5' és 3' szekvenciák. Szabályozó és kisegítő funkciókat látnak el, például biztosítják a riboszóma mRNS-re való landolását.

A nem lefordított és kódoló szekvenciák alkotják a transzkripció egységét - az átírt DNS-régiót, vagyis azt a DNS-régiót, amelyből az mRNS szintetizálódik.

Végrehajtó A DNS egy nem átírt régiója a gén végén, ahol az RNS szintézis leáll.

A gén elején az szabályozási terület, ami magában foglalja promóterÉs operátor.

promóter- a szekvencia, amellyel a polimeráz a transzkripció iniciálása során kötődik. Operátor- ez az a terület, amelyhez speciális fehérjék kötődhetnek - elnyomók, amely csökkentheti az RNS szintézis aktivitását ebből a génből – más szóval csökkentheti kifejezés.

A gének szerkezete prokariótákban

A prokarióták és eukarióták gének szerkezetére vonatkozó általános terv nem különbözik – mindkettő tartalmaz egy szabályozó régiót egy promoterrel és egy operátorral, egy transzkripciós egységet kódoló és nem transzlált szekvenciákkal, valamint egy terminátort. A gének szerveződése azonban a prokariótákban és az eukariótákban eltérő.

Rizs. 18. A gén szerkezetének vázlata prokariótákban (baktériumokban) -a kép ki van nagyítva

Az operon elején és végén több szerkezeti gén közös szabályozó régiói vannak. Az operon átírt régiójából egy mRNS-molekulát olvasunk ki, amely több kódoló szekvenciát tartalmaz, amelyek mindegyikének saját start- és stopkodonja van. Mindegyik területrőlegy fehérje szintetizálódik. És így, Egy i-RNS molekulából több fehérjemolekula szintetizálódik.

A prokariótákra több gén egyetlen funkcionális egységgé való kombinációja jellemző. operon. Az operon munkáját más gének is szabályozhatják, amelyek észrevehetően eltávolíthatók magából az operonból - szabályozók. Az ebből a génből lefordított fehérjét ún represszor. Az operon kezelőjéhez kötődik, egyszerre szabályozza a benne lévő összes gén expresszióját.

A prokariótákra is jellemző a jelenség átírási és fordítási ragozások.


Rizs. 19 A transzkripció és a transzláció konjugációjának jelensége prokariótákban - a kép ki van nagyítva

Ez a párosítás nem fordul elő eukariótákban, mivel a sejtmag membránja elválasztja a citoplazmát, ahol a transzláció megtörténik, a genetikai anyagtól, amelyen a transzkripció megtörténik. A prokariótákban az RNS DNS-templáton történő szintézise során egy riboszóma azonnal kötődhet a szintetizált RNS-molekulához. Így a fordítás még az átírás befejezése előtt megkezdődik. Ezen túlmenően több riboszóma egyidejűleg kötődhet egy RNS-molekulához, és egy fehérje több molekuláját szintetizálja egyszerre.

A gének szerkezete az eukariótákban

Az eukarióták génjei és kromoszómái nagyon bonyolultan szerveződnek.

Sok faj baktériumának csak egy kromoszómája van, és szinte minden esetben minden kromoszómán található minden gén egy-egy példánya. Csak néhány gén, például az rRNS gének találhatók több másolatban. Gének és szabályozó szekvenciák alkotják a prokarióták szinte teljes genomját. Ráadásul szinte minden gén szigorúan megfelel az általa kódolt aminosav-szekvenciának (vagy RNS-szekvenciának) (14. ábra).

Az eukarióta gének szerkezeti és funkcionális felépítése sokkal összetettebb. Eukarióta kromoszómák tanulmányozása, majd későbbi szekvenálás teljes sorozatok Az eukarióta genomok sok meglepetést hoztak. Sok, ha nem a legtöbb eukarióta gén rendelkezik érdekes tulajdonság: nukleotidszekvenciáik egy vagy több olyan DNS-régiót tartalmaznak, amelyek nem kódolják a polipeptid termék aminosavszekvenciáját. Az ilyen lefordítatlan betoldások megszakítják a közvetlen megfelelést nukleotid szekvencia gén és a kódolt polipeptid aminosavszekvenciája. Ezeket a nem lefordított szegmenseket a génekben ún intronok, vagy beépített sorozatok, és a kódoló szegmensek exonok. A prokariótákban csak néhány gén tartalmaz intronokat.

Tehát az eukariótákban gyakorlatilag nincs gének kombinációja operonokká, és az eukarióta gén kódoló szekvenciája leggyakrabban transzlált régiókra oszlik. - exonok, és le nem fordított szakaszok - intronok.

A legtöbb esetben az intronok funkcióját nem állapították meg. Általánosságban elmondható, hogy az emberi DNS-nek csak körülbelül 1,5%-a "kódol", azaz információt hordoz fehérjékről vagy RNS-ről. A nagy intronokat figyelembe véve azonban kiderül, hogy az emberi DNS 30%-a génekből áll. Mivel a gének az emberi genom viszonylag kis részét teszik ki, jelentős mennyiségű DNS-t nem számolnak fel.

Rizs. 16. A gén szerkezetének vázlata eukariótákban - a kép ki van nagyítva

Minden génből először egy éretlen vagy pre-RNS szintetizálódik, amely intronokat és exonokat is tartalmaz.

Ezt követően megtörténik a splicing folyamat, melynek eredményeként az intron régiók kivágásra kerülnek, és egy érett mRNS képződik, amelyből fehérje szintetizálható.


Rizs. 20. Alternatív illesztési eljárás - a kép ki van nagyítva

A gének ilyen szerveződése lehetővé teszi például azt, hogy egy génből egy fehérje különböző formái szintetizálhatók, mivel az exonok a splicing során különböző szekvenciákba fuzionálhatók.

Rizs. 21. Különbségek a prokarióták és eukarióták génjeinek szerkezetében - a kép ki van nagyítva

MUTÁCIÓK ÉS MUTAGÉZIS

mutáció a genotípus perzisztens változásának, azaz a nukleotidszekvencia változásának nevezzük.

A mutációhoz vezető folyamatot ún mutagenezis, és a szervezet Minden amelynek sejtjei ugyanazt a mutációt hordozzák mutáns.

mutációs elmélet Hugh de Vries fogalmazta meg először 1903-ban. Modern változata a következő rendelkezéseket tartalmazza:

1. A mutációk hirtelen, hirtelen jönnek létre.

2. A mutációk nemzedékről nemzedékre öröklődnek.

3. A mutációk lehetnek előnyösek, károsak vagy semlegesek, dominánsak vagy recesszívek.

4. A mutációk kimutatásának valószínűsége a vizsgált egyedek számától függ.

5. Hasonló mutációk ismétlődően előfordulhatnak.

6. A mutációk nem irányítottak.

A mutációkat okozhatja különféle tényezők. Különbséget kell tenni az által okozott mutációk között mutagén hatások: fizikai (pl. ultraibolya vagy sugárzás), kémiai (pl. kolchicin vagy reaktív oxigénfajták) és biológiai (pl. vírusok). Mutációk is előidézhetők replikációs hibák.

Attól függően, hogy a feltételek a megjelenése mutációk vannak osztva spontán- vagyis a ben keletkezett mutációk normál körülmények között, És indukált- vagyis speciális körülmények között keletkezett mutációk.

Mutációk nem csak a nukleáris DNS-ben fordulhatnak elő, hanem például a mitokondriumok vagy a plasztidok DNS-ében is. Ennek megfelelően meg tudjuk különböztetni nukleárisÉs citoplazmatikus mutációk.

A mutációk fellépése következtében gyakran új allélok jelenhetnek meg. Ha a mutáns allél felülírja a normál allélt, a mutációt hívják uralkodó. Ha a normál allél elnyomja a mutált allélt, a mutációt hívják recesszív. A legtöbb olyan mutáció, amely új allélokat eredményez, recesszív.

A mutációkat hatás alapján különböztetjük meg alkalmazkodó, ami a szervezet környezethez való alkalmazkodóképességének növekedéséhez vezet, semleges amelyek nem befolyásolják a túlélést káros amelyek csökkentik a szervezetek alkalmazkodóképességét a környezeti feltételekhez és halálos ami a szervezet halálához vezet a fejlődés korai szakaszában.

A következmények szerint mutációkat különböztetünk meg, amelyek a fehérjefunkció elvesztése, olyan mutációk, amelyek a megjelenése a fehérje új funkciót kapott, valamint olyan mutációk, amelyek módosítsa egy gén dózisát, és ennek megfelelően a belőle szintetizált fehérje adagja.

A mutáció a test bármely sejtjében előfordulhat. Ha egy csírasejtben mutáció következik be, azt ún magzati(csíra, vagy generatív). Az ilyen mutációk nem abban a szervezetben jelennek meg, amelyben megjelentek, hanem mutánsok megjelenéséhez vezetnek az utódokban, és öröklődnek, ezért fontosak a genetika és az evolúció szempontjából. Ha a mutáció bármely más sejtben fellép, akkor ún szomatikus. Egy ilyen mutáció bizonyos mértékig megnyilvánulhat abban a szervezetben, amelyben keletkezett, például rákos daganatok kialakulásához vezethet. Az ilyen mutáció azonban nem öröklődik, és nem érinti az utódokat.

A mutációk a genom különböző méretű részeit érinthetik. Kioszt genetikai, kromoszómálisÉs genomikus mutációk.

Génmutációk

Az egy génnél kisebb léptékben előforduló mutációkat nevezzük genetikai, vagy pontozott (pontozott). Az ilyen mutációk a szekvenciában egy vagy több nukleotid megváltozásához vezetnek. A génmutációk közé tartozikhelyettesítések, ami az egyik nukleotid helyettesítéséhez vezet egy másikkal,törlések ami az egyik nukleotid elvesztéséhez vezet,beszúrások, ami egy további nukleotid hozzáadásához vezet a szekvenciához.


Rizs. 23. Gén(pont)mutációk

A fehérje hatásmechanizmusa szerint a génmutációk a következőkre oszthatók:szinonim, amelyek (a genetikai kód degenerációja következtében) nem vezetnek a fehérjetermék aminosav-összetételének változásához,missense mutációk amelyek az egyik aminosav másikkal való helyettesítéséhez vezetnek, és befolyásolhatják a szintetizált fehérje szerkezetét, bár gyakran jelentéktelenek,nonszensz mutációk, ami a kódoló kodon lecseréléséhez vezet egy stopkodonra,-hoz vezető mutációk splicing rendellenesség:


Rizs. 24. Mutációs sémák

Ezenkívül a fehérjére gyakorolt ​​​​hatásmechanizmus szerint mutációkat izolálnak, amelyek a keretváltás olvasmányok mint a beszúrások és törlések. Az ilyen mutációk, mint a nonszensz mutációk, bár a gén egy pontján fordulnak elő, gyakran befolyásolják a fehérje teljes szerkezetét, ami a szerkezetének teljes megváltozásához vezethet.

Rizs. 29. Kromoszóma duplikáció előtt és után

Genomi mutációk

Végül, genomi mutációk az egész genomot érintik, vagyis a kromoszómák száma megváltozik. Megkülönböztetik a poliploidiát - a sejt ploidiájának növekedését és az aneuploidiát, vagyis a kromoszómák számának változását, például triszómiát (egy további homológ jelenléte az egyik kromoszómában) és monoszómiát (a kromoszómák hiánya). homológ a kromoszómában).

Videó a DNS-hez kapcsolódik

DNS REPLIKÁCIÓ, RNS KÓDOLÁS, FEHÉRJESZINTÉZIS

Olvas:
  1. APUD - RENDSZER (SZERKEZETI ÉS FUNKCIONÁLIS SZERVEZET, BIOLÓGIAI JELENTŐSÉG A NORMÁBAN ÉS PATOLÓGIÁBAN)
  2. II. A sebészeti ellátás megszervezése Oroszországban. A sebészeti intézmények fő típusai. A sebészeti osztály munkaszervezésének elvei.
  3. III. Orvosi pszichológia; mentális zavarok kezelése; pszichiátriai ellátás megszervezése.
  4. III. A genetikai anyag változása szerint a mutációk a következőkre oszthatók: gén, kromoszóma átrendeződések, genomiális.
  5. IV. Járványellenes koleraellenes intézkedések megszervezése és végrehajtása

Az öröklődést és a változékonyságot egy speciális anyagú hordozó működése biztosítja - genetikai apparátus.

Jelenlegi szakaszban a természetről alkotott elképzelések lehetővé teszik a megkülönböztetést az örökítőanyag szerkezeti és funkcionális szerveződésének következő szintjei:

gén;

kromoszómális;

genomikus.

elemi szerkezet génszint szervezet az gén. A gének viszonylag függetlenek egymástól, így lehetséges az egyes tulajdonságok diszkrét (különálló) és független öröklődése (Mendel harmadik törvénye) és változásai (mutációk).

Az eukarióta sejt gének benne találhatók kromoszómák, biztosítva kromoszóma szintörökítőanyag szervezése. Az ugyanazon kromoszómán lévő gének kapcsolódási csoportot alkotnak, és általában együtt továbbadódnak. Ez a szervezettségi szint szükséges feltétele a gének összekapcsolódásának és a szülői gének újraelosztásának az utódok ivaros szaporodása során (a kromoszómák és kromatidák keresztezése és véletlenszerű divergenciája a pólusokhoz a meiózis során).

Egy szervezet génjeinek teljes halmaza funkcionálisan egy egészként viselkedik, és egyetlen rendszert alkot, ún genotípus (genom). Ugyanaz a gén különböző genotípusokban eltérő módon nyilvánulhat meg. Genomikus szint szervezete magyarázza az azonos és különböző kromoszómákon elhelyezkedő gének intra- és inter-allél kölcsönhatását.

A " kifejezés genom" a sejt DNS-ének teljes összetételét jelenti, vagyis az összes gén és intergenikus régió összességét.

Az emberi genom szerveződése(mint minden eukarióta faj) az elemek szekvenciális hierarchiája:

Nukleotidok;

Gének intergénikus régiókkal;

Komplex gének;

Kromoszómák karjai;

kromoszómák;

Haploid készlet extranukleáris DNS-sel együtt.

Az 1950-es évek elején bebizonyosodott az öröklődés és a változékonyság elemi funkcionális egysége, amely meghatározza egy sejt vagy szervezet egy adott tulajdonságának kialakulásának lehetőségét, az gén , amely bizonyos szerkezeti és funkcionális szervezettel rendelkezik.

A "gén" fogalmának kialakulása. A tulajdonságok öröklődésére vonatkozó külön információk már nagyon régóta ismertek, de átadásuk mintáit először G. Mendel vázolta fel 1865-ben „Kísérletek a növényhibrideken” című munkájában. A kortársak nem tulajdonítottak jelentőséget felfedezésének. A "gén" fogalma ekkor még nem létezett, G. Mendel pedig a csírasejtekben rejlő "örökletes hajlamokról" beszélt, amelyek természete ismeretlen volt.

1900-ban önállóan G. de Vries (Hollandia), E. Cermak (Ausztria) és K. Correns (Németország)újra felfedezte a törvényeket G. Mendel. Ezt az évet tekintik a genetika, mint tudomány születésének évének. 1902-ben T. Boveri, E. Wilson és D. Setton az örökletes tényezők és a kromoszómák kapcsolatát javasolta. 1906-ban W. Batson megalkotta a „genetika” kifejezést, és 1909-ben V. Johansen- "gén". 1911-ben T. Morganés az alkalmazottak megfogalmazták a főbb rendelkezéseket kromoszóma elméletátöröklés.

A XX. század elején. a gének stabilitásának és megváltoztathatatlanságának gondolata dominált ( A. Weisman, W. Batson), és ha változások történnek ( G. de Vries), majd spontán módon, a környezet hatásától függetlenül. Ezt a téves elképzelést indukált mutációk megszerzésével cáfolták meg G. A. Nadson és G. S. Filippov(1925) a gombáról, G. Meller(1927) a Drosophila és I.L. Stadler(1928) kukoricán.

Ugyanakkor volt egy elképzelés a gén oszthatatlanságáról. Az 1950-es évek végén azonban kimutatták, hogy a gén egy különálló egység. A fő funkció – a fehérjeszintézis programozása – ellátása során a gén integrált egységként működik, melynek megváltozása a fehérjemolekula szerkezetének átrendeződését okozza. Benzer ezt az egységet hívta cisztronom. Méretében megközelítőleg megegyezik a génnel. Egy gén diszkrétsége abban rejlik, hogy alegységei vannak benne. A génvariáció elemi egységét, a mutáció mértékegységét ún muton, és a rekombináció egysége (a homológ kromoszómák szakaszainak cseréje az I. meiózis profázisában) felderítés. A muton és a recon minimális mérete megegyezik egy pár nukleotiddal. Jelenleg egy nukleotidpárt tekintünk a gén elemi szerkezeti egységének, a kodont pedig funkcionális egységnek.

Az 1920-as években kiderült, hogy a kromoszómák fehérjékből és nukleinsavakból állnak. 1928-ban N.K. Kolcov felveti, hogy a gének funkcióit fehérjemolekulák látják el, és a fehérjék képesek önreprodukcióra. Később azonban bebizonyosodott, hogy a genetikai információ hordozója a DNS-molekula.

És így , gén a nukleinsavak (polinukleotidok) szerkezeti egysége, amely a genetikai információ tárolásáért, továbbításáért és megvalósításáért felelős. "" kifejezés alatt gén" érthető a DNS-ben lévő nukleotidsorrend, amely meghatároz egy bizonyos funkciót (morfológiai, fiziológiai, biokémiai, immunológiai, klinikai és bármilyen más diszkrét egység) a szervezetben. Gén képviseli az örökítőanyag minimális mennyisége, amely a t-RNS, r-RNS vagy bizonyos tulajdonságokkal rendelkező peptid szintéziséhez szükséges. A modern elképzelések szerint gén- Ez egy DNS-molekula szakasza, amely egy adott polipeptid vagy nukleinsav szintéziséről nyújt információt.

Az emberi genomban több mint 30 000 gén található. Az emberi gének mérete széles skálán mozog, de a legtöbbjük eléri az 50 000 bázispárt. Megvalósul a gének átvitele sejtek vagy organizmusok generációiban anyagi utódlás- Tulajdonságok öröklődése a szülőktől az utódok által.

Gén tulajdonságai. A géneket bizonyos tulajdonságok jellemzik:

Ø specifitás (minden szerkezeti génnek megvan a maga nukleotidsorrendje, és meghatározza egy adott polipeptid szintézisét),

Ø integritás (polipeptid szintézisének programozásakor a gén oszthatatlan egységként működik) és diszkrétség (alegységek jelenléte),

Ø stabilitás (viszonylag stabil) és labilitás (mutálódási képesség),

Ø pleiotrópia (egy gén több tulajdonság megnyilvánulásáért is felelős lehet),

Ø expresszivitás (fenotípusos megnyilvánulás mértéke) és penetrancia (génexpresszió gyakorisága).

A génnek mint az öröklődési és változékonysági anyag funkcionális egységének főbb tulajdonságait az határozza meg kémiai szervezet .

A gén szerkezete három nukleotidból álló kodonkészlet (egy triplet kód). A gén információkat tartalmaz a fehérje szerkezetéről, és minden kodon információt tartalmaz egy aminosav szerkezetéről és a fehérjemolekulában való elhelyezkedéséről.

Ma már ismert, hogy a génnek komplexe van belső szerkezet, és az egyes szakaszok különböző funkciókat látnak el. A génben megkülönböztethető a legnagyobb rész, ami tulajdonképpen meghatározza a polipeptid szerkezetét. Ezt a részt "cisztronnak" hívják, és több tízezer bázispár hosszúságú lehet. Egyes gének több cisztront tartalmaznak (policisztron vagy szerkezeti gének). A vizsgálatok kimutatták, hogy a gén mérete nagyobb, mint a polipeptid mérete. Innen az a következtetés, hogy a gén olyan nukleotid szekvenciákat tartalmaz, amelyek nem befolyásolják a polipeptid szerkezetét, de szükségesek a szerkezeti rész (szerkezeti gén) megfelelő működéséhez. Ez a gén (vagy génoperátor) szabályozó része. Az operátor gén több cisztron gén tevékenységét szabályozza, és közvetlenül mellettük található. A szerkezeti gének egy csoportjából és egy operátorgénből álló komplex operont alkot. Izolálnak egy szabályozó gént is, amely az operon aktivitását egy általa termelt speciális anyag - egy represszor - segítségével szabályozza. A represszor az operátor génre hatva gátolja azt és csökkenti a hozzá kapcsolódó cisztronok aktivitását.

A gének blokkokká egyesülnek, amelyek egy DNS-szálat alkotnak. Ugyanakkor lineáris sorrendbe rendeződnek, ami tovább határozza meg a DNS és a kromoszómák fonalszerű szerkezetét.

Az örökítőanyag kémiai természetét vizsgáló tanulmányok ezt cáfolhatatlanul bebizonyították az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja az nukleinsavak polimerek, amelyekből állnak nukleotid monomerek, amelyek három összetevőt tartalmaznak:

Cukor (pentóz);

nitrogén bázis.

Között nukleinsavak megkülönböztetni kétféle kapcsolat:

dezoxiribonukleinsav (DNS);

Ribonukleinsav (RNS).

A DNS az örökletes információ őrzője a pro- és eukarióták minden sejtjében (vírusokban ezt a funkciót egy RNS-molekula is elláthatja); Az RNS továbbítja és megvalósítja a genetikai információkat.

Dezoxiribonukleinsav (DNS)- kémiailag stabilabb komponens, öröklődés és változékonyság szubsztrátja.

A DNS-molekula szerkezetét megfejtették J. Watson, F. Crick és M. Wilkins 1953-ban. A modell szerint D. Watson és F. Crick, a DNS-molekula két egymással párhuzamosan mereven rögzített és kettős hélix antiparallel (szemben a 3 "egy lánc vége a másik 5" vége) polinukleotid láncból áll, amelyek láncszemei ​​alkotják nukleotidok.

Először is, a genetikai anyagnak képesnek kell lennie az önreplikációra a szaporodási folyamat során örökletes információkat továbbítanak, amelyek alapján egy új generáció kialakítása történik. Másodszor, annak érdekében, hogy a tulajdonságok stabilitása több generáción keresztül biztosítható legyen, az örökítőanyagnak állandó szerkezetűnek kell lennie. Harmadszor, az öröklődés és a változékonyság anyagának képesnek kell lennie a változások megszerzésére és azok reprodukálására, lehetővé téve az élőanyag történeti fejlődését változó körülmények között. Az öröklődés és változékonyság anyagi szubsztrátja csak akkor tudja biztosítani az élőtermészet létezésének és fejlődésének tartamát és folytonosságát, ha megfelel a meghatározott követelményeknek.

A genetikai apparátus természetére vonatkozó modern elképzelések lehetővé teszik a szervezet három szintjének megkülönböztetését: gén, kromoszómális és genomiális. Mindegyiken megnyilvánulnak az öröklődés és változékonyság anyagának főbb tulajdonságai, átvitelének és működésének bizonyos mintái.

A nukleinsavak közül kétféle vegyületet különböztetnek meg: dezoxiribonukleinsav (DNS) és ribonukleinsav (RNS). Az örökletes anyag fő hordozóinak - a kromoszómáknak - összetételének vizsgálata során kiderült, hogy kémiailag legstabilabb komponensük a DNS, amely az öröklődés és a változékonyság szubsztrátja. A DNS szerkezete. J. Watson és F. Crick modellje

A DNS áll cukrot tartalmazó nukleotidokból - dezoxiribóz, foszfát és a nitrogénbázisok egyike - purin (adenin vagy guanin) vagy pirimidin (timin vagy citozin) A DNS szerkezeti felépítésének sajátossága, hogy molekulái két polinukleotid láncot tartalmaznak, amelyek egy bizonyos szakaszban kapcsolódnak egymáshoz út. Az 1953-ban J. Watson amerikai biofizikus és F. Crick angol biofizikus és genetikus által javasolt háromdimenziós DNS-modell szerint ezek a láncok nitrogénbázisaik között hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz a komplementaritás elve szerint. Az egyik lánc adeninje két hidrogénkötéssel kapcsolódik egy másik lánc timinjéhez, és három hidrogénkötés jön létre a különböző láncú guanin és citozin között. A nitrogénbázisok ilyen kapcsolata erős kapcsolatot biztosít a két lánc között, és mindvégig egyenlő távolságot tart közöttük. Fő funkció A DNS abban rejlik, hogy úgy tervezték, hogy örökletes információkat tároljon és továbbítson a pro- és eukarióta sejtekben. A vírusokban ezt a funkciót az RNS.NA látja el. A DNS felépítése és szerkezete. DNS tulajdonságai.

1. Stabilitás. Hidrogén-, glikozid- és foszfodiészter kötések, valamint a spontán és indukált károsodások helyreállítási mechanizmusa biztosítja;



2. Replikációs képesség. Ennek a mechanizmusnak köszönhetően a kromoszómák diploid száma megmarad a szomatikus sejtekben. Sematikusan a DNS mint genetikai molekula összes felsorolt ​​jellemzője az ábrán látható.

3. Genetikai kód jelenléte. A DNS-ben lévő bázisszekvenciát a transzkripciós és transzlációs folyamatok alakítják át a polipeptidlánc aminosav-szekvenciájává;
4. Genetikai rekombináció képessége. Ennek a mechanizmusnak köszönhetően a kapcsolt gének új kombinációi jönnek létre.

Javítás- a sejtek speciális funkciója, amely abban áll, hogy képesek kijavítani a sejtben a normál DNS-bioszintézis során, illetve a fizikai vagy kémiai hatások következtében károsodott DNS-molekulák kémiai károsodását és töréseit. Ezt a sejt speciális enzimrendszerei végzik. Számos örökletes betegség (pl. xeroderma pigmentosum) összefüggésbe hozható a javítórendszer károsodásával.

DNS replikáció- a dezoxiribonukleinsav leánymolekula szintézisének folyamata a kiindulási DNS-molekula mátrixán. Az anyasejt ezt követő osztódása során minden leánysejt egy olyan DNS-molekulát kap, amely megegyezik az eredeti anyasejt DNS-ével. Ez a folyamat biztosítja a genetikai információ pontos átvitelét generációról generációra. A DNS-replikációt egy 15-20 különböző fehérjéből álló komplex enzimkomplex, a repliszóma végzi.

Genetikai kód- ez a DNS-molekula egyedi régióiban található információ a fehérjék és polipeptidek szerkezetéről. Crick és munkatársai azt javasolták, hogy az információkat blokkokon – kodonokon – keresztül kell kifejezni. Azt javasolták, hogy a kodonoknak legalább 3 nukleotidot kell tartalmazniuk. Miért?A természetben 20 különböző aminosavat találtak, amelyekből minden fehérje elkészül. 20 aminosavváltozat kódolásához a genetikai kódnak legalább 3 nukleotidot kell tartalmaznia, mert két nukleotidból csak 4 = 16 opció kombinálható, és három nukleotidból - 43 = 64 lehetőség .. A genetikai kód teljes dekódolását a XX. század 60-as éveiben végezték el. Kiderült, hogy a tripletek 64 lehetséges változatából 61 különböző aminosavakat kódol, 3 pedig értelmetlen, vagy STOP kodon: UAG, UAA, UGA kodon, amelyen az öröklődő információ olvasása leáll (4.6. ábra).

A genetikai kód tulajdonságai

1. Tripletitás: minden kodon 3 nukleotidot tartalmaz^

2. Univerzálisság: a Földön létező összes élő szervezetnek ugyanaz a genetikai kódja, amely minden élőlény eredetének egységét jelzi. Az AGA kodon az arginin aminosavat kódolja baktériumokban, emberekben és minden élőlényben.

3. Degeneráció; 61 hármas 20 aminosavonként. Ebből következik, hogy egyes aminosavakat több hármassal kell titkosítani. Ez nagyon fontos, mert a nukleotidszubsztitúció nem mindig eredményez aminosavszubsztitúciót). Például a valin aminosavat három triplet kódolja: GTT, GTC, GTA, GTG.

4. Specificitás: minden triplett csak 1 aminosavnak felel meg: csak a GTT-t tartalmazó valin. Az ATG kodon a startkodon (metionin).

5. Univerzálisság: a Földön létező összes élő szervezetnek ugyanaz a genetikai kódja, amely minden élőlény eredetének egységét jelzi. Az AGA kodon az arginin aminosavat kódolja baktériumokban, emberekben és minden élőlényben.

6. ^ Folytonosság és átfedésmentesség (rés nélkül olvasható).

Mátrix, vagy információ, RNS (mRNS vagy mRNS). Átírás. A kívánt tulajdonságokkal rendelkező fehérjék szintetizálása érdekében „utasítást” küldenek a felépítésük helyére abban a sorrendben, ahogyan az aminosavak bekerülnek a peptidláncba. Ezt az utasítást a megfelelő DNS szakaszokon szintetizált mátrix vagy információs RNS (mRNS, mRNS) nukleotidszekvenciája tartalmazza. Az mRNS szintézis folyamatát transzkripciónak nevezik. Az mRNS szintézise azzal kezdődik, hogy az RNS polimeráz felfedez egy speciális helyet a DNS-molekulában, amely jelzi a transzkripció kezdetének helyét - a promotert. A promoterhez való kapcsolódás után az RNS-polimeráz letekerteti a DNS-hélix szomszédos fordulatát. Ezen a ponton két DNS-szál válik szét, és az egyiken az enzim mRNS-t szintetizál. A ribonukleotidok láncba építése a DNS-nukleotidokkal való komplementaritásuknak megfelelően, valamint a templát DNS-lánccal antiparallel módon történik. Tekintettel arra, hogy az RNS-polimeráz csak az 5'-végtől a 3'-végéig képes polinukleotidot összeállítani, a két DNS-szál közül csak az egyik szolgálhat templátként a transzkripcióhoz, mégpedig az, amelyik az enzimmel szemben áll. ' vége ( 3" → 5"). Az ilyen láncot kodogénnek nevezik. A DNS-molekulában lévő két polinukleotid lánc kapcsolódásának antiparallelizmusa lehetővé teszi az RNS-polimeráz számára, hogy megfelelően válassza ki a templátot az mRNS-szintézishez.

A kodogén DNS-lánc mentén haladva az RNS-polimeráz fokozatosan, precízen átírja az információkat, amíg nem találkozik egy specifikus nukleotidszekvenciával - egy transzkripciós terminátorral. Ebben a régióban az RNS-polimeráz elválik mind a DNS-templáttól, mind az újonnan szintetizált mRNS-től (3.25. ábra). A DNS-molekula egy fragmentuma, amely egy promotert, egy átírt szekvenciát és egy terminátort tartalmaz, egy transzkripciós egységet – egy transzkripciót – képez.

A szintézis során, amikor az RNS-polimeráz a DNS-molekula mentén mozog, a DNS egyszálú szakaszai, amelyeken áthaladt, ismét kettős hélixté egyesülnek. A transzkripció során képződött mRNS a DNS megfelelő szakaszában rögzített információk pontos másolatát tartalmazza. Három szomszédos mRNS-nukleotidot, amelyek aminosavakat kódolnak, kodonoknak nevezünk. Az mRNS kodonszekvencia a peptidlánc aminosav-szekvenciáját kódolja. Az mRNS kodonok bizonyos aminosavaknak felelnek meg. Az mRNS-transzkripció templátja a kodogén DNS-lánc, amely az enzimmel szemben 3 "vége I - a promoter régió kimutatása a DNS-molekulában és a DNS-hélix feltekercselése; II - az enzim elindítása az RNS-lánc szintézise az első két ribonukleozid-grifoszfát megkötésével; III - RNS-láncok kiterjesztése 5" → 3" irányban ribonukleozid-grifoszfátok kapcsolásával; IV - a szintetizált RNS 5"-os végének felszabadulása és a DNS kettős helyreállítása helix; V - RNS szintézis vége a terminátor régióban, a polimeráz elválasztása a teljes RNS lánctól

^ RNS (tRNS) átvitele. Adás. Fontos szerep az örökletes információ sejt általi felhasználása során az RNS-hez (tRNS) tartozik. A tRNS a szükséges aminosavakat a peptidláncok összeépülésének helyére juttatva transzlációs közvetítőként működik, A TRNS molekulák bizonyos DNS szekvenciákon szintetizált polinukleotid láncok. Viszonylag kis számú nukleotidból állnak -75-95. A tRNS polinukleotid lánc különböző részein elhelyezkedő bázisok komplementer kapcsolódása következtében lóherelevél alakú szerkezetet kap, négy fő részből áll, amelyek különböző funkciókat látnak el. Az akceptor "szárat" a tRNS két, egymással komplementer módon összekapcsolt terminális része alkotja. Hét bázispárból áll. Ennek a szárnak a 3"-os vége valamivel hosszabb, és egyszálú régiót képez, amely egy szabad OH-csoporttal rendelkező CCA-szekvenciában végződik. Ehhez a véghez egy transzportálható aminosav kapcsolódik. A fennmaradó három elágazás komplementer-páros nukleotidszekvenciák, amelyek párosítatlan hurokképző régiókban végződnek, ezeknek az ágaknak a közepe - antikodon - öt pár nukleotidból áll, és a hurok közepén egy antikodont tartalmaz.Az antikodon három nukleotid, amely komplementer az aminosavat kódoló mRNS kodonnal ez a tRNS szállítja a peptidszintézis helyére.

Az akceptor és az antikodon ág között kettő van oldalágak. A hurkokban módosított bázisokat tartalmaznak - dihidrouridint (D-hurok) és egy TψC triplettet, ahol \y pszeudouriain (T^C-hurok). Az aiticodon és a T^C elágazás között van egy további hurok, amely 3-5-13-21 nukleotidot tartalmaz. különböző fajták A tRNS-eket a nukleotidszekvencia bizonyos állandósága jellemzi, amely legtöbbször 76 nukleotidból áll. Számuk eltérése elsősorban a további hurokban lévő nukleotidok számának változásából adódik. A tRNS szerkezetét támogató komplementer régiók általában konzerváltak. A tRNS elsődleges szerkezete, amelyet a nukleotidsorrend határoz meg, a tRNS másodlagos szerkezetét alkotja, amely lóherelevél alakú. A másodlagos szerkezet viszont háromdimenziós harmadlagos szerkezetet okoz, amelyet két egymásra merőleges kettős hélix képződése jellemez (3.27. ábra). Az egyiket az akceptor és a TψC ág, a másikat az antikodon és a D ág alkotja.

Az egyik kettős hélix végén a szállított aminosav, a másik végén az antikodon található. Ezek a területek vannak a legtávolabb egymástól. A tRNS harmadlagos szerkezetének stabilitását a polinukleotid lánc különböző részein elhelyezkedő, de a tercier szerkezetben térben közeli bázisai között további hidrogénkötések megjelenése tartja fenn.

A különböző típusú tRNS-ek hasonló harmadlagos szerkezettel rendelkeznek, bár bizonyos eltérésekkel.

^ I - a tRNS másodlagos szerkezete "lóherelevél" formájában, amelyet elsődleges szerkezete (a láncban lévő nukleotidok szekvenciája) határoz meg;

II - a tRNS harmadlagos szerkezetének kétdimenziós vetülete;

III - a tRNS-molekula elrendezése a térben

A tRNS egyik jellemzője, hogy szokatlan bázisokat tartalmaz, amelyek abból származnak kémiai módosítás egy normál bázis beépítése után a polinukleotid láncba. Ezek a megváltozott bázisok meghatározzák a tRNS-ek nagy szerkezeti diverzitását szerkezetük általános tervében. A legérdekesebbek az antikodont alkotó bázisok módosításai, amelyek befolyásolják az antikodonnal való kölcsönhatás specifitását. Például az atipikus bázis inozin, amely néha a tRNS antikodon 1. pozíciójában áll, képes komplementeren kombinálódni az mRNS három különböző harmadik bázisával - U, C és A (3.28. ábra). Mivel a genetikai kód egyik jellemzője a degeneráltsága, sok aminosavat több kodon kódol, amelyek általában a harmadik bázisukban különböznek egymástól. A módosított antikodonbázis nem specifikus kötődése miatt egy tRNS több szinonim kodont is felismer.

Többféle tRNS létezését is megállapították, amelyek képesek ugyanahhoz a kodonhoz kötődni. Ennek eredményeként a sejtek citoplazmájában nem 61 (a kodonok száma szerint), hanem körülbelül 40 különböző tRNS-molekula található. Ez a mennyiség elegendő ahhoz, hogy 20 különböző aminosavat a fehérje-összeállító helyre szállítson.

Az mRNS-ben egy bizonyos kodon pontos felismerésének funkciója mellett a tRNS-molekula egy szigorúan meghatározott, ezzel a kodonnal kódolt aminosavat szállít a peptidlánc szintézisének helyére. A tRNS specifikus kapcsolódása "aminosavához" két szakaszban megy végbe, és egy aminoacil-tRNS nevű vegyület képződéséhez vezet.Az első szakaszban az aminosav a karboxilcsoportjával ATP-vel kölcsönhatásba lépve aktiválódik. Ennek eredményeként adipilált aminosav képződik. A második szakaszban ez a vegyület kölcsönhatásba lép a megfelelő tRNS 3"-os végén található OH-csoporttal, és az aminosav ehhez kapcsolja karboxilcsoportját, AMP-t szabadítva fel. Ez a folyamat tehát a folyamat során nyert energiafelhasználással megy végbe. ATP hidrolízise AMP-vé Az aminosav és a megfelelő antikodont hordozó tRNS kombinációjának specifitása az aminoacil-tRNS-szintetáz enzim tulajdonságainak köszönhető. A citoplazmában olyan enzimek egész sora található, amelyek képes -

térbeli felismerése egyrészt aminosavának, másrészt a megfelelő tRNS antikodonjának Először is, az aminoacil-tRNS szintetáz enzim biztosítja a tRNS és az általa szállított aminosav összekapcsolását. Az aminoacil-tRNS ezután komplementeren párosul az mRNS-sel antikodon-kodon kölcsönhatás révén. A tRNS rendszer segítségével az mRNS nukleotid lánc nyelve. lefordítva a Ribosomal RNS (rRNS) peptid aminosavszekvenciájának nyelvére. A fehérjeszintézis riboszómális ciklusa. Az mRNS és a tRNS közötti kölcsönhatás folyamata, amely biztosítja az információknak a nukleotidok nyelvéből az aminosavak nyelvére történő lefordítását, riboszómákon megy végbe, az utóbbiak rRNS és különböző fehérjék komplex komplexei, amelyekben az előbbiek alkotnak vázat. . A riboszómális RNS-ek nemcsak szerkezeti komponens riboszómák, hanem biztosítják azok kötődését egy specifikus mRNS nukleotid szekvenciához. Ez beállítja a peptidlánc kialakulásának kezdő és leolvasási keretét. Ezenkívül kölcsönhatást biztosítanak a riboszóma és a tRNS között. Számos riboszómát alkotó fehérje az rRNS-sel együtt strukturális és enzimatikus szerepet is betölt.A pro- és eukarióták riboszómái szerkezetükben és funkciójukban nagyon hasonlóak. Két részrészecskéből állnak: nagy és kicsi. Az eukariótákban a kis alegységet egy rRNS-molekula és 33 különböző fehérjemolekula alkotja. A nagy alegység három rRNS-molekulát és körülbelül 40 fehérjét egyesít. A prokarióta riboszómák, valamint a mitokondriális és plasztid riboszómák kevesebb komponenst tartalmaznak, a riboszómák két barázdával rendelkeznek. Az egyik a növekvő polipeptidláncot, a másik az mRNS-t tartja. Ezenkívül két tRNS-kötő helyet izolálnak a riboszómákban. Az aminoacil-tRNS az aminoacil A-helyen található, és egy specifikus aminosavat hordoz. A peptidil, P-szekcióban általában található a tRNS, amely peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavlánccal van megtöltve. Az A- és P-helyek kialakítását a riboszóma mindkét alegysége biztosítja, a riboszóma minden pillanatban leárnyékol egy körülbelül 30 nukleotid hosszú mRNS-szakaszt. Ez csak két tRNS kölcsönhatását biztosítja két szomszédos mRNS kodonnal.Az információk aminosavak "nyelvére" történő fordítása a peptidlánc fokozatos felépítésében fejeződik ki az mRNS-ben található utasításoknak megfelelően. Ez a folyamat a riboszómákon megy végbe, amelyek a szekvenciát biztosítják az információk tRNS segítségével történő megfejtéséhez. A transzláció során három fázis különböztethető meg: a peptidlánc szintézisének beindítása, megnyúlása és befejezése.

^ Az iniciációs fázis vagy a peptidszintézis kezdete abból áll, hogy a riboszóma két olyan alrészecskéjét egyesítik, amelyek korábban a citoplazmában az mRNS egy bizonyos helyén elkülönültek, és ehhez kapcsolják az első aminoacil-tRNS-t. Ez egyben meghatározza az mRNS-ben található információk leolvasásának keretét is. Bármely mRNS molekulájában, annak 5"-os végének közelében található egy hely, amely komplementer a riboszóma kis alegységének rRNS-ével, és azt specifikusan felismeri. ehhez tartozik a metionin aminosavat kódoló AUT indító kodon A riboszóma kis alegysége az mRNS-sel kapcsolódik oly módon, hogy az OUT startkodon a P-helynek megfelelő régióban helyezkedik el.Ebben az esetben , csak a metionint hordozó iniciáló tRNS képes helyet foglalni a kis alegység befejezetlen P-helyén, és komplementeren kapcsolódni a startkodonhoz. A leírt esemény után a riboszóma kis és nagy szubrészecskéi peptidiljének kialakulásával és aminoacil szakaszok

^ I - a riboszóma kis szubchapshchiájának összekapcsolása mRNS-sel, kapcsolódás a metionint hordozó tRNS startkodonjához, amely a befejezetlen P-helyen található; II - a riboszóma nagy és kis részecskéinek összekapcsolása P- és A-helyek kialakulásával; a következő szakasz a benne elhelyezkedő mRNS kodonnak megfelelő aminoacil-tRNS A-helyre kerülésével, az elongáció kezdetével társul; ak - aminosav Az iniciációs fázis végén a P-helyet a metioninhoz kapcsolódó aminoacil-tRNS foglalja el, míg a riboszóma A-helye a startkodont követő kodont tartalmazza. Az iniciációs fázis befejeződése és a riboszóma - mRNS - iniciáló aminoacil-tRNS komplex kialakulása után ezek a faktorok elválik a riboszómától Az elongációs fázis, vagy a peptid elongáció magában foglalja az összes reakciót az első peptidkötés kialakulásától kezdve egészen az első peptidkötés kialakulásáig. az utolsó aminosav hozzáadása. Ez egy ciklikusan visszatérő esemény, amelyben az A-helyen található következő kodon aminoacil-tRNS specifikus felismerése történik, ami egy komplementer kölcsönhatás az antikodon és a kodon között.

A tRNS háromdimenziós szerveződésének sajátosságai miatt. amikor antikodonja mRNS kodonhoz kapcsolódik. az általa szállított aminosav az A-helyen, a P-helyen található, korábban benne található aminosav szomszédságában található. Két aminosav között peptidkötés jön létre, amelyet a riboszómát alkotó speciális fehérjék katalizálnak. Ennek eredményeként az előző aminosav elveszíti kapcsolatát tRNS-ével, és csatlakozik az A-helyen található aminoacil-tRNS-hez. Az ebben a pillanatban a P-helyen található tRNS felszabadul és a citoplazmába kerül, A peptidlánccal terhelt tRNS mozgását az A-helyről a P-helyre a riboszóma előrehaladása kíséri az mRNS mentén. egy kodonnak megfelelő lépéssel. Most a következő kodon érintkezik az A hellyel, ahol specifikusan "felismeri" a megfelelő aminoacil-tRNS, amely oda helyezi el az aminosavát. Ez az eseménysor mindaddig ismétlődik, amíg a riboszóma A-helye olyan terminátor kodont kap, amelyhez nincs megfelelő tRNS A peptidlánc összeállítása a hőmérséklettől függően kellően nagy sebességgel megy végbe. Baktériumokban 37 °C-on 12-17 aminosav 1 másodpercenkénti hozzáadásával fejeződik ki a szubdipeptidhez. Az eukarióta sejtekben ez az arány alacsonyabb, és két aminosav hozzáadásával fejeződik ki 1 másodperc alatt.

^ A terminációs fázis vagy a polipeptid szintézis befejeződése ahhoz kapcsolódik, hogy egy specifikus riboszomális fehérje felismeri az egyik terminációs kodont (UAA, UAG vagy UGA), amikor az belép a riboszóma A-hely zónájába. Ebben az esetben a víz a peptidlánc utolsó aminosavához kapcsolódik, és a karboxil vége elválik a tRNS-től. Ennek eredményeként az elkészült peptidlánc elveszíti kapcsolatát a riboszómával, amely két részecske részre bomlik.

Az öröklődés változékonysága. 1-2 Mendel törvénye

a létezés folytonossága és történelmi fejlődés A vadon élő állatok az élet két alapvető tulajdonságának köszönhetőek: öröklődés és változatosság.

Az élőlények szerveződésének sejtes és szervezeti (ontogenetikai) szintjén az öröklődés alatt a sejtek vagy szervezetek önszaporodási folyamatában azt a tulajdonságát értjük, hogy egy új generációnak átadják egy bizonyos típusú anyagcsere képességét és képességét. egyéni fejlődés, melynek során egy adott sejttípus és élőlénytípus közös jellemzőit és tulajdonságait alakítják ki, valamint egyes egyéni jellemzők szülők. Az élő természet időbeni fennmaradása a változó feltételek mellett lehetetlen lenne, ha az élő rendszerek nem lennének képesek bizonyos, új környezeti feltételek mellett hasznos változásokat megszerezni és fenntartani. Az élő rendszerek azon tulajdonságát, hogy változásokat szereznek és különböző változatokban léteznek, változékonyságnak nevezzük.

A 60-as években. 19. század a genetika (az öröklődés és változékonyság tudományának) megalapítója G. Mendel (1865) megtette az első feltételezéseket az örökítőanyag szerveződéséről. Borsón végzett kísérleteinek eredményei alapján arra a következtetésre jutott, hogy az örökítőanyag diszkrét, i.e. az élőlények bizonyos jellemzőinek kialakulásáért felelős egyéni örökletes hajlamok képviselik. Mendel szerint az ivarosan szaporodó élőlények örökítőanyagában egyetlen tulajdonság kialakulását egy pár allél hajlam biztosítja, amely mindkét szülő csírasejtjével érkezett. Az ivarsejtek kialakulása során mindegyikbe csak egy allél hajlampár jut be, ezért az ivarsejtek mindig „tiszták”. 1909-ben V. Johansen Mendel "örökletes hajlamainak" nevezte a géneket.

Mendel csak az egyik szülő tulajdonságának a hibridekben való megnyilvánulását dominanciának nevezte.

Ha olyan szervezeteket keresztezünk, amelyek egy pár kontrasztos tulajdonságban különböznek egymástól, amelyekért egy gén alléljei felelősek, a hibridek első generációja fenotípusban és genotípusban egységes. A fenotípus szerint az első generáció összes hibridjét domináns tulajdonság jellemzi, a genotípus szerint az első generációs hibridek mindegyike heterozigóta

A nukleinsavak mononukleotidokból álló makromolekuláris anyagok, amelyek 3",5"-os foszfodiészter kötésekkel polimerláncban kapcsolódnak egymáshoz, és meghatározott módon a sejtekben vannak csomagolva.

A nukleinsavak kétféle biopolimerek: ribonukleinsav (RNS) és dezoxiribonukleinsav (DNS). Mindegyik biopolimer szénhidrát-maradékban (ribóz, dezoxiribóz) és az egyik nitrogénbázisban (uracil, timin) eltérő nukleotidokból áll. Ennek megfelelően a nukleinsavak kapták a nevüket.

A dezoxiribonukleinsav szerkezete

A nukleinsavak elsődleges, másodlagos és harmadlagos szerkezetűek.

A DNS elsődleges szerkezete

A DNS elsődleges szerkezete egy lineáris polinukleotid lánc, amelyben a mononukleotidok 3", 5"-os foszfodiészter kötésekkel kapcsolódnak össze. A sejtben a nukleinsavlánc összeállításának kiindulási anyaga az 5'-trifoszfát nukleozid, amely a foszforsav β- és γ-maradékainak eltávolítása eredményeként képes egy másik nukleozid 3'-szénatomját hozzákapcsolni. . Így az egyik dezoxiribóz 3"-os szénatomja kovalensen kötődik egy másik dezoxiribóz 5"-os szénatomjához egy foszforsav-maradékon keresztül, és lineáris nukleinsav-polinukleotidláncot alkot. Innen a név: 3", 5"-foszfodiészter kötések. A nitrogéntartalmú bázisok nem vesznek részt egy lánc nukleotidjainak összekapcsolásában (1. ábra).

Egy ilyen kapcsolat az egyik nukleotid foszforsav molekulája és egy másik szénhidrátja között a polinukleotid molekula pentóz-foszfát vázának kialakulásához vezet, amelyre oldalról egymás után nitrogéntartalmú bázisokat adnak. A nukleinsavmolekulák láncaiban található szekvenciájuk szigorúan specifikus a különböző organizmusok sejtjeire, pl. sajátos karaktere van (Chargaff-szabály).

A lineáris DNS-láncnak, amelynek hossza a láncban lévő nukleotidok számától függ, két vége van: az egyik a 3 "vége, és szabad hidroxilcsoportot tartalmaz, a másik, az 5" vége pedig egy foszforsavat tartalmaz. maradékot. Az áramkör poláris és lehet 5"->3" és 3"->5". Kivétel a körkörös DNS.

A DNS genetikai "szövege" kód "szavakból" - kodonoknak nevezett nukleotidhármasokból áll. Azokat a DNS-szegmenseket, amelyek az összes RNS-típus elsődleges szerkezetéről tartalmaznak információkat, szerkezeti géneknek nevezzük.

A polinukleoid DNS-láncok gigantikus méreteket érnek el, így bizonyos módon becsomagolódnak a sejtben.

Chargaff (1949) a DNS összetételét vizsgálva fontos törvényszerűségeket állapított meg az egyes DNS-bázisok tartalmát illetően. Segítettek a DNS másodlagos szerkezetének feltárásában. Ezeket a mintákat Chargaff-szabályoknak nevezzük.

Chargaff szabályok

  1. a purin nukleotidok összege egyenlő a pirimidin nukleotidok összegével, azaz A + G / C + T \u003d 1
  2. az adenintartalom megegyezik a timintartalommal (A = T vagy A / T = 1);
  3. a guanintartalom megegyezik a citozintartalommal (G = C vagy G/C = 1);
  4. a 6-amino-csoportok száma megegyezik a DNS-ben lévő 6-ketocsoportok számával: G + T = A + C;
  5. csak az A + T és a G + C összege változó Ha A + T > G-C, akkor ez a DNS AT-típusa; ha G + C > A + T, akkor ez a GC típusú DNS.

Ezek a szabályok azt mondják, hogy a DNS felépítésénél nem általában a purin és pirimidin bázisok esetében kell meglehetősen szigorú megfeleltetést (párosítást), hanem kifejezetten a timin az adenin és a citozin és a guanin esetében.

Többek között ezen szabályok alapján 1953-ban Watson és Crick javasolta a DNS másodlagos szerkezetének, a kettős hélixnek nevezett modelljét (ábra).

A DNS másodlagos szerkezete

A DNS másodlagos szerkezete egy kettős hélix, amelynek modelljét D. Watson és F. Crick javasolta 1953-ban.

A DNS-modell létrehozásának előfeltételei

Ennek eredményeként kezdeti elemzések az ötlet az volt, hogy bármilyen eredetű DNS mind a négy nukleotidot egyenlő moláris mennyiségben tartalmazza. Az 1940-es években azonban E. Chargaff és munkatársai a különböző élőlényekből izolált DNS elemzése eredményeként egyértelműen kimutatták, hogy nitrogénbázisok különböző mennyiségi arányban vannak bennük. Chargaff úgy találta, hogy bár ezek az arányok azonosak az azonos fajhoz tartozó összes sejtből származó DNS esetében, a DNS-ből származó DNS esetében különböző típusok egyes nukleotidok tartalma jelentősen eltérhet. Ez arra utalt, hogy a nitrogénbázisok arányának különbségei valamilyen biológiai kóddal hozhatók összefüggésbe. Bár a különböző DNS-mintákban az egyes purin- és pirimidinbázisok aránya egyenlőtlennek bizonyult, az elemzések eredményeit összehasonlítva egy bizonyos mintázat derült ki: minden mintában a purinok összmennyisége megegyezett a pirimidinek összmennyiségével. (A + G = T + C), az adenin mennyisége megegyezett a timin mennyiségével (A = T), és a guanin mennyisége - a citozin mennyiségével (G = C). Az emlős sejtekből izolált DNS általában gazdagabb adeninben és timinben, és viszonylag szegényebb guaninban és citozinban, míg a baktériumokból származó DNS gazdagabb guaninban és citozinban, és viszonylag szegényebb adeninben és timinben. Ezek az adatok fontos részét képezték annak a tényanyagnak, amely alapján később felépült a Watson-Crick DNS szerkezeti modell.

A DNS lehetséges szerkezetére vonatkozó másik fontos közvetett jelzés L. Pauling fehérjemolekulák szerkezetére vonatkozó adatai voltak. Pauling kimutatta, hogy az aminosavlánc számos különböző stabil konfigurációja lehetséges egy fehérjemolekulában. A peptidlánc egyik gyakori konfigurációja - az α-hélix - szabályos spirális szerkezet. Ilyen szerkezettel lehetséges a hidrogénkötések kialakulása a lánc szomszédos menetein elhelyezkedő aminosavak között. Pauling 1950-ben leírta a polipeptidlánc α-hélikális konfigurációját, és felvetette, hogy a DNS-molekulák valószínűleg hidrogénkötésekkel rögzített spirális szerkezettel is rendelkeznek.

A DNS-molekula szerkezetéről azonban a legértékesebb információkat a röntgendiffrakciós analízis eredményei szolgáltatták. A DNS-kristályon áthaladó röntgensugarak diffrakción mennek keresztül, azaz bizonyos irányokba eltérnek. A sugarak eltérülésének mértéke és jellege maguknak a molekuláknak a szerkezetétől függ. A röntgendiffrakciós kép (3. ábra) a tapasztalt szem számára számos közvetett jelzést ad a vizsgált anyag molekuláinak szerkezetére vonatkozóan. A DNS röntgendiffrakciós mintázatának elemzése arra a következtetésre vezetett, hogy a nitrogéntartalmú bázisok (amelyek lapos alakúak) úgy vannak egymásra rakva, mint egy halom lemez. A röntgenképek lehetővé tették a kristályos DNS szerkezetének három fő periódusának azonosítását: 0,34, 2 és 3,4 nm.

Watson-Crick DNS-modell

Chargaff analitikai adataiból, Wilkins röntgenfelvételeiből és a kémikusokból, akik információt szolgáltattak a molekulában lévő atomok közötti pontos távolságokról, az adott atom kötései közötti szögekről és az atomok méretéről, Watson és Crick elkezdték a DNS-molekula egyes komponenseiről meghatározott léptékben fizikai modelleket építsenek fel, és "igazítsák" egymáshoz úgy, hogy a létrejövő rendszer megfeleljen a különböző kísérleti adatoknak. [előadás] .

Már korábban is ismerték, hogy a DNS-lánc szomszédos nukleotidjait foszfodiészter hidak kötik össze, amelyek az egyik nukleotid dezoxiribóz 5'-szénatomját kötik össze a következő nukleotid dezoxiribóz 3'-szénatomjával. Watsonnak és Cricknek nem volt kétsége afelől, hogy a 0,34 nm-es periódus megfelel a DNS-szálban lévő egymást követő nukleotidok közötti távolságnak. Továbbá feltételezhető, hogy a 2 nm-es periódus megfelel a lánc vastagságának. Annak megmagyarázására pedig, hogy mi felel meg a valós szerkezetnek egy 3,4 nm-es periódusnak, Watson és Crick, valamint korábban Pauling azt feltételezte, hogy a lánc spirál formájában csavarodott (pontosabban csavart alkot, mivel a spirál ennek szoros értelmében a szót akkor kapjuk, ha a fordulatok a térben nem hengeres, hanem kúpos felületet alkotnak). Ekkor a 3,4 nm-es periódus megfelel a spirál egymást követő fordulatai közötti távolságnak. Egy ilyen spirál lehet nagyon sűrű vagy kissé feszített, azaz a fordulatai lehetnek laposak vagy meredekek. Mivel a 3,4 nm-es periódus pontosan 10-szerese az egymást követő nukleotidok távolságának (0,34 nm), egyértelmű, hogy a hélix minden teljes köre 10 nukleotidot tartalmaz. Ezekből az adatokból Watson és Crick ki tudták számítani egy 2 nm átmérőjű spirálba csavart polinukleotid lánc sűrűségét, a menetek közötti távolság pedig 3,4 nm. Kiderült, hogy egy ilyen szál sűrűsége fele akkora, mint a már ismert DNS tényleges sűrűsége. Feltételeznem kellett, hogy a DNS-molekula két láncból áll – hogy ez egy nukleotidok kettős hélixe.

A következő feladat természetesen a kettős hélixet alkotó két szál térbeli kapcsolatának tisztázása volt. Miután a láncok elrendezésének számos változatát kipróbálták fizikai modelljükön, Watson és Crick úgy találta, hogy az összes rendelkezésre álló adatra az a legmegfelelőbb, amelyben két polinukleotid hélix ellentétes irányba halad; ebben az esetben cukor- és foszfátmaradékokból álló láncok alkotják a kettős hélix felületét, benne purinok és pirimidinek találhatók. Az egymással szemben elhelyezkedő, két lánchoz tartozó bázisokat páronként hidrogénkötések kötik össze; ezek a hidrogénkötések tartják össze a láncokat, így rögzítve a molekula általános konfigurációját.

A DNS kettős hélix spirális kötéllétraként fogható fel, a lépcsőfokok vízszintesek maradnak. Ekkor két hosszanti kötél a cukor- és foszfátmaradék-láncoknak, a keresztrudak pedig hidrogénkötésekkel összekapcsolt nitrogénbázispároknak felelnek meg.

A lehetséges modellek további tanulmányozása eredményeként Watson és Crick arra a következtetésre jutott, hogy minden „keresztrúdnak” egy purinból és egy pirimidinből kell állnia; 2 nm-es perióduson (amely a kettős hélix átmérőjének felel meg) nem lenne elég hely két purin számára, és a két pirimidin nem lehet elég közel egymáshoz ahhoz, hogy megfelelő hidrogénkötéseket hozzon létre. A részletes modell mélyreható vizsgálata kimutatta, hogy a megfelelő méretű kombinációt alkotó adenin és citozin még mindig nem helyezhető el úgy, hogy hidrogénkötések jöjjenek létre közöttük. Hasonló jelentések szerint a guanin-timin kombinációt is kizárták, míg az adenin-timin és guanin-citozin kombinációk meglehetősen elfogadhatónak bizonyultak. A hidrogénkötések természete olyan, hogy az adenin a timinnel, a guanin pedig a citozinnal párosul. A specifikus bázispárosításnak ez a koncepciója tette lehetővé a „Chargaff-szabály” magyarázatát, amely szerint bármely DNS-molekulában az adenin mennyisége mindig megegyezik a timin-tartalommal, a guanin mennyisége pedig a citozin mennyiségével. . Két hidrogénkötés jön létre az adenin és a timin között, három pedig a guanin és a citozin között. A hidrogénkötések kialakulásában az egyik láncban az egyes adeninekkel szembeni specifikusság miatt a timin a másik láncban van; ugyanígy minden guanin ellen csak citozin helyezhető. Így a láncok komplementerek egymással, vagyis az egyik lánc nukleotidsorrendje egyértelműen meghatározza a másik láncában lévő szekvenciát. A két lánc ellentétes irányban fut, és foszfát végcsoportjaik a kettős hélix ellentétes végén találhatók.

Kutatásaik eredményeként 1953-ban Watson és Crick olyan modellt javasolt a DNS-molekula szerkezetére (3. ábra), amely a mai napig is releváns. A modell szerint egy DNS-molekula két komplementer polinukleotid láncból áll. Mindegyik DNS-szál több tízezer nukleotidból álló polinukleotid. Ebben a szomszédos nukleotidok szabályos pentóz-foszfát vázat alkotnak a foszforsav-maradék és a dezoxiribóz erős kovalens kötéssel történő kombinációja miatt. Az egyik polinukleotid lánc nitrogéntartalmú bázisai szigorúan meghatározott sorrendben vannak elrendezve a másik nitrogéntartalmú bázisaival szemben. A nitrogéntartalmú bázisok váltakozása a polinukleotid láncban szabálytalan.

A nitrogénbázisok elrendeződése a DNS-láncban komplementer (a görög "komplement" szóból - addíció), azaz. az adenin (A) ellen mindig a timin (T), a guanin (G) ellen pedig csak a citozin (C). Ez azzal magyarázható, hogy A és T, valamint G és C szigorúan megfelelnek egymásnak, i.e. kiegészítik egymást. Ezt a megfelelést a bázisok kémiai szerkezete adja, amely lehetővé teszi hidrogénkötések kialakulását egy purin és pirimidin párban. A és T között két kötés van, G és C között három. Ezek a kötések biztosítják a DNS-molekula részleges stabilizálását a térben. A kettős hélix stabilitása egyenesen arányos a G≡C kötések számával, amelyek stabilabbak, mint az A=T kötések.

A DNS egyik szálában lévő ismert nukleotidszekvencia lehetővé teszi a komplementaritás elve alapján egy másik szál nukleotidjainak meghatározását.

Ezenkívül megállapították, hogy az aromás szerkezetű nitrogéntartalmú bázisok vizes oldatban egymás felett helyezkednek el, és mintegy érmehalmazt alkotnak. Ez a folyamat alkotó halom szerves molekulák halmozásnak nevezik. A vizsgált Watson-Crick modell DNS-molekulájának polinukleotid láncai hasonló fizikai-kémiai állapotúak, nitrogéntartalmú bázisaik érmehalmaz formájában helyezkednek el, amelyek síkjai között van der Waals kölcsönhatások (halmozási kölcsönhatások) lépnek fel.

A komplementer bázisok közötti hidrogénkötések (vízszintesen) és a polinukleotid lánc bázissíkjai közötti egymásra halmozódó kölcsönhatás a van der Waals-erők miatt (függőlegesen) további stabilizációt biztosítanak a DNS-molekulának a térben.

Mindkét lánc cukor-foszfát gerince kifelé, az alapok befelé, egymás felé fordulnak. A DNS-ben a szálak iránya antiparallel (az egyik iránya 5"->3", a másiké -3"->5", azaz az egyik szál 3"-os vége az 5"-véggel szemben helyezkedik el. a másiké.). A láncok jobboldali hélixeket alkotnak közös tengellyel. A hélix egy menete 10 nukleotid, a fordulat mérete 3,4 nm, az egyes nukleotidok magassága 0,34 nm, a hélix átmérője 2,0 nm. Az egyik szálnak a másik körül forgása következtében egy nagyobb (kb. 20 Å átmérőjű) és egy kisebb (kb. 12 Å) barázda képződik a DNS kettős hélixben. A Watson-Crick kettős hélixnek ezt a formáját később B-formának nevezték. A sejtekben a DNS általában B formában létezik, amely a legstabilabb.

A DNS funkciói

A javasolt modell megmagyarázta a dezoxiribonukleinsav számos biológiai tulajdonságát, beleértve a genetikai információ tárolását és a gének sokféleségét nagy változatosság 4 nukleotid egymást követő kombinációi és a genetikai kód meglétének ténye, a replikációs folyamat által biztosított genetikai információ önreprodukciós és átviteli képessége, valamint a genetikai információ fehérje, valamint bármely más vegyület formájában történő megvalósítása fehérje enzimek segítségével képződik.

A DNS alapvető funkciói.

  1. A DNS a genetikai információ hordozója, amit a genetikai kód meglétének ténye biztosít.
  2. Szaporodás és továbbított genetikai információ sejtek és organizmusok generációiban. Ezt a funkciót a replikációs folyamat biztosítja.
  3. Genetikai információ megvalósítása fehérjék formájában, valamint bármely más, enzimfehérjék segítségével képződő vegyület. Ezt a funkciót az átírási és fordítási folyamatok biztosítják.

A kettős szálú DNS szerveződési formái

A DNS többféle kettős hélixet képezhet (4. ábra). Jelenleg már hat forma ismert (A-tól E-ig és Z-forma).

A DNS szerkezeti formái, amint azt Rosalind Franklin megállapította, a nukleinsavmolekula vízzel való telítettségétől függenek. A DNS-szálak röntgendiffrakciós analízissel végzett vizsgálatai során kimutatták, hogy a röntgendiffrakciós mintázat radikálisan függ attól, hogy ennek a rostnak milyen relatív páratartalom mellett, milyen víztelítettségi fokon történik a kísérlet. Ha a rost megfelelően telített volt vízzel, akkor egy röntgenfelvételt készítettek. Szárításkor egy teljesen más röntgenkép jelent meg, amely nagyon különbözik egy nagy nedvességtartalmú szál röntgenképétől.

A magas páratartalmú DNS molekulát B-alakúnak nevezik. Fiziológiás körülmények között (alacsony sókoncentráció, magas hidratáltság) a DNS domináns szerkezeti típusa a B-forma (a kettős szálú DNS fő formája a Watson-Crick modell). Egy ilyen molekula hélix-emelkedése 3,4 nm. Körönként 10 komplementer pár van csavart „érmék” - nitrogéntartalmú bázisok formájában. A kötegeket hidrogénkötések tartják össze a halmok két ellentétes "érméje" között, és a foszfodiészter gerinc két szalagjával "tekercselik össze", amelyek jobboldali spirálba vannak csavarva. A nitrogénbázisok síkjai merőlegesek a hélix tengelyére. A szomszédos komplementer párok egymáshoz képest 36°-kal el vannak forgatva. A hélix átmérője 20 A, a purin nukleotid 12 A-t, a pirimidin nukleotid pedig 8 A-t foglal el.

Az alacsonyabb nedvességtartalmú DNS-molekulát A-formának nevezik. Az A-forma kevésbé magas hidratáltság körülményei között és nagyobb Na + vagy K + iontartalom mellett jön létre. Ez a szélesebb jobbkezes konformáció körönként 11 bázispárt tartalmaz. A nitrogéntartalmú bázisok síkjai erősebben hajlanak a hélix tengelyére, a normáltól a hélix tengelyéhez képest 20°-kal térnek el. Ez egy 5 Å átmérőjű belső üreg jelenlétét jelenti. A szomszédos nukleotidok távolsága 0,23 nm, a tekercs hossza 2,5 nm, a hélix átmérője 2,3 nm.

Kezdetben a DNS A-formáját kevésbé tartották fontosnak. Később azonban kiderült, hogy a DNS A-formájának, valamint a B-formájának nagy biológiai jelentősége van. A templát-mag komplexben az RNS-DNS hélix A-formájú, valamint az RNS-RNS hélix és az RNS hajtűszerkezete (a ribóz 2'-hidroxilcsoportja nem teszi lehetővé, hogy az RNS-molekulák B-formát képezzenek) . A DNS A-formája spórákban található. Megállapítást nyert, hogy a DNS A-formája 10-szer jobban ellenáll az UV-sugárzásnak, mint a B-forma.

Az A-formát és a B-formát a DNS kanonikus formáinak nevezzük.

C-E formák jobbkezesek is, kialakulásuk csak speciális kísérletekben figyelhető meg, és úgy tűnik, in vivo nem léteznek. A DNS C-formájának szerkezete hasonló a B-DNS-hez. A bázispárok száma körönként 9,33, a hélix hossza 3,1 nm. Az alappárok 8 fokos szöget zárnak be a tengelyre merőleges helyzethez képest. A barázdák mérete közel áll a B-DNS barázdáihoz. Ebben az esetben a fő horony valamivel kisebb, a mellékhorony pedig mélyebb. A természetes és szintetikus DNS-polinukleotidok átjuthatnak a C-formába.

1. táblázat: Egyes DNS-szerkezetek jellemzői
Spirális típus A B Z
Spirálmenet 0,32 nm 3,38 nm 4,46 nm
Spirális csavarás Jobb Jobb Bal
Alappárok száma körönként 11 10 12
Alapsíkok közötti távolság 0,256 nm0,338 nm0,371 nm
Glikozid kötés konformációja antiantianti-C
syn-G
Furanóz gyűrű felépítése C3 "-endoC2 "-endoC3 "-endo-G
C2 "-endo-C
Horonyszélesség, kicsi/nagy 1,11/0,22 nm 0,57/1,17 nm0,2/0,88 nm
Horonymélység, kicsi/nagy 0,26/1,30 nm 0,82/0,85 nm1,38/0,37 nm
Spirál átmérő 2,3 nm 2,0 nm 1,8 nm

A DNS szerkezeti elemei
(nem kanonikus DNS-struktúrák)

A DNS szerkezeti elemei közé tartoznak a szokatlan struktúrák, amelyeket néhány speciális szekvencia korlátoz:

  1. A DNS Z-formája - a DNS B-formájának helyén képződik, ahol a purinok pirimidinekekkel váltakoznak, vagy metilált citozint tartalmazó ismétlődésekben.
  2. A palindromok flip szekvenciák, bázisszekvenciák fordított ismétlődései, amelyek két DNS-szálhoz képest másodrendű szimmetriával rendelkeznek, és "hajtűket" és "kereszteket" képeznek.
  3. A DNS H-formája és a DNS hármas hélixei olyan hely jelenlétében jönnek létre, amely a normál Watson-Crick duplex egyik szálában csak purinokat, a második szálban pedig azokkal komplementer pirimidineket tartalmaz.
  4. A G-quadruplex (G-4) egy négyszálú DNS-hélix, ahol a különböző szálakból származó 4 guaninbázis G-kvartetteket (G-tetradokat) alkot, amelyeket hidrogénkötések tartanak össze G-kvadrupplexekké.

A DNS Z-formája 1979-ben fedezték fel a d(CG)3 - hexanukleotid tanulmányozása során. Alexander Rich MIT professzor és munkatársai nyitották meg. A Z-alak az egyik legfontosabb lett szerkezeti elemek DNS annak a ténynek köszönhető, hogy képződését olyan DNS-régiókban figyelték meg, ahol a purinok pirimidinekkel váltakoznak (például 5'-HCHCHC-3'), vagy metilált citozint tartalmazó 5'-CHCHCH-3' ismétlődésekben. A Z-DNS kialakulásának és stabilizálásának elengedhetetlen feltétele volt, hogy a szin-konformációban purin nukleotidok jelenjenek meg, az antikonformációban pirimidinbázisokkal váltakozva.

A természetes DNS-molekulák többnyire a megfelelő B formában léteznek, hacsak nem tartalmaznak olyan szekvenciákat, mint a (CG)n. Ha azonban az ilyen szekvenciák a DNS részét képezik, akkor ezek a régiók, amikor az oldat ionerőssége vagy a foszfodiészterváz negatív töltését semlegesítő kationok Z-formává változhatnak, míg a lánc többi DNS-régiója a láncban marad. a klasszikus B-forma. Az ilyen átmenet lehetősége azt jelzi, hogy a DNS kettős hélixben lévő két szál dinamikus állapotban van, és egymáshoz képest letekercselhet, átmegy a jobb formából a bal oldaliba és fordítva. Ennek a labilitásnak a biológiai következményei, amely lehetővé teszi a DNS-szerkezet konformációs átalakulását, még nem teljesen ismert. Úgy gondolják, hogy a Z-DNS régiók szerepet játszanak bizonyos gének expressziójának szabályozásában, és részt vesznek a genetikai rekombinációban.

A DNS Z-formája egy bal oldali kettős hélix, amelyben a foszfodiészter gerince a molekula tengelye mentén cikcakkos. Innen származik a molekula neve (cikkcakk)-DNS. A Z-DNS a természetben ismert legkevésbé csavart (12 bázispár fordulatonként) és legvékonyabb. A szomszédos nukleotidok távolsága 0,38 nm, a tekercs hossza 4,56 nm, a Z-DNS átmérője 1,8 nm. Kívül, kinézet Ezt a DNS-molekulát egyetlen barázda jelenléte különbözteti meg.

A DNS Z-formáját prokarióta és eukarióta sejtekben találták meg. A mai napig olyan antitesteket szereztek, amelyek különbséget tudnak tenni a DNS Z-formája és B-formája között. Ezek az antitestek a Drosophila (Dr. melanogaster) nyálmirigysejtek óriáskromoszómáinak specifikus régióihoz kötődnek. A kötődési reakció könnyen követhető e kromoszómák szokatlan szerkezete miatt, amelyben a sűrűbb régiók (korongok) ellentétben állnak a kevésbé sűrű régiókkal (interdiskekkel). A Z-DNS régiók a lemezközi lemezekben helyezkednek el. Ebből következik, hogy a Z-alak természetes körülmények között valóban létezik, bár a Z-forma egyes szakaszainak méretei még nem ismertek.

(shifters) - a leghíresebb és leggyakrabban előforduló bázisszekvenciák a DNS-ben. A palindrom egy szó vagy kifejezés, amely ugyanúgy balról jobbra és fordítva olvasható. Példák az ilyen szavakra vagy kifejezésekre: KUNIKÓ, KOSZÁK, AZ ÖRZÉS ÉS AZOR MANCSÁRA hullott rózsa. A DNS szakaszaira alkalmazva ez a kifejezés (palindrom) a nukleotidok ugyanazt a váltakozását jelenti a lánc mentén jobbról balra és balról jobbra (mint a "kunyhó" szó betűi stb.).

A palindromot két DNS-szálhoz képest másodrendű szimmetriával rendelkező bázisszekvenciák fordított ismétlődéseinek jelenléte jellemzi. Az ilyen szekvenciák nyilvánvaló okokból önkiegészítők, és hajlamosak hajtű- vagy kereszt alakú struktúrákat kialakítani (ábra). A hajtűk segítenek a szabályozó fehérjéknek felismerni azt a helyet, ahol a kromoszóma DNS genetikai szövege másolódik.

Azokban az esetekben, amikor egy fordított ismétlődés van jelen ugyanabban a DNS-szálban, az ilyen szekvenciát tükörismétlődésnek nevezzük. A tükörismétlések nem rendelkeznek önkiegészítő tulajdonságokkal, ezért nem képesek hajtű vagy kereszt alakú struktúrák kialakítására. Az ilyen típusú szekvenciák szinte minden nagy DNS-molekulában megtalálhatók, és néhány bázispártól több ezer bázispárig terjedhetnek.

A palindromok keresztes struktúrák formájában való jelenléte eukarióta sejtekben nem bizonyított, bár számos kereszt alakú struktúrát találtak in vivo E. coli sejtekben. Az önkomplementer szekvenciák jelenléte az RNS-ben vagy az egyszálú DNS-ben a fő oka annak, hogy az oldatokban a nukleinlánc egy bizonyos térbeli struktúrába hajtódik, amelyet sok "hajtű" képződése jellemez.

A DNS H-formája- ez egy hélix, amelyet három DNS-szál alkot - a DNS hármas hélixe. Ez a Watson-Crick kettős hélix komplexe a harmadik egyszálú DNS-száljal, amely beleillik annak nagy barázdájába, az úgynevezett Hoogsteen pár kialakulásával.

Egy ilyen triplex kialakulása a DNS kettős hélix hozzáadásának eredményeképpen történik oly módon, hogy szakaszának fele kettős hélix formájában marad, a második fele pedig szétkapcsol. Ebben az esetben az egyik szétkapcsolt spirál új szerkezetet alkot a kettős spirál első felével - egy hármas spirál, a második pedig strukturálatlannak bizonyul, egyszálas szakasz formájában. Ennek a szerkezeti átmenetnek a sajátossága az éles függés a közeg pH-jától, amelynek protonjai stabilizálják az új szerkezetet. Ebből a tulajdonságból adódóan az új szerkezetet a DNS H-formájának nevezték el, amelynek kialakulását a homopurin-homopirimidin régiókat tartalmazó szuperspirálos plazmidokban találták meg, amelyek tükörismétlődésnek számítanak.

További vizsgálatok során bizonyos homopurin-homopirimidin kettős szálú polinukleotidok szerkezeti átmenetének lehetőségét megállapították egy háromszálú szerkezet kialakításával, amely tartalmazza:

  • egy homopurin és két homopirimidin szál ( Py-Pu-Py triplex) [Hoogsteen interakció].

    A Py-Pu-Py triplex alkotó blokkjai kanonikus izomorf CGC+ és TAT ​​triádok. A triplex stabilizálásához a CGC+ triád protonálódása szükséges, így ezek a triplexek az oldat pH-jától függenek.

  • egy homopirimidin és két homopurin szál ( Py-Pu-Pu triplex) [inverz Hoogsteen-kölcsönhatás].

    A Py-Pu-Pu triplex alkotórészei a kanonikus izomorf CGG és TAA triádok. A Py-Pu-Pu triplexek lényeges tulajdonsága, hogy stabilitásuk kettős töltésű ionok jelenlététől függ, és különböző ionokra van szükség a különböző szekvenciájú triplexek stabilizálásához. Mivel a Py-Pu-Pu triplexek képződése nem igényli az őket alkotó nukleotidok protonálását, az ilyen triplexek semleges pH-n létezhetnek.

    Megjegyzés: a közvetlen és fordított Hoogsteen kölcsönhatást az 1-metiltimin szimmetriája magyarázza: a 180 °-os elforgatás azt a tényt eredményezi, hogy az O4 atom helyét az O2 atom foglalja el, miközben a hidrogénkötések rendszere megmarad.

Kétféle hármas hélix létezik:

  1. párhuzamos hármas hélixek, amelyekben a harmadik szál polaritása megegyezik a Watson-Crick duplex homopurin láncának polaritásával
  2. antiparallel tripla hélixek, amelyekben a harmadik és a homopurin lánc polaritása ellentétes.
A Py-Pu-Pu és Py-Pu-Py triplexek kémiailag homológ láncai antiparallel orientációjúak. Ezt az NMR-spektroszkópiai adatok is megerősítették.

G-quadruplex- 4 szálú DNS. Ilyen szerkezet akkor jön létre, ha négy guanin van, amelyek az úgynevezett G-quadruplexet alkotják - négy guaninból álló körtáncot.

Az első utalásokat az ilyen struktúrák kialakulásának lehetőségére jóval Watson és Crick áttörő munkája előtt kapták - már 1910-ben. Aztán Ivar Bang német vegyész felfedezte, hogy a DNS egyik összetevője - a guanózsav - magas koncentrációban géleket képez, míg a DNS többi összetevője nem rendelkezik ezzel a tulajdonsággal.

1962-ben röntgendiffrakciós módszerrel sikerült megállapítani ennek a gélnek a sejtszerkezetét. Kiderült, hogy négy guaninmaradékból áll, amelyek körbe kapcsolják egymást, és jellegzetes négyzetet alkotnak. Középen a kötést fémion (Na, K, Mg) tartja. Ugyanezek a struktúrák képződhetnek a DNS-ben is, ha sok guanint tartalmaz. Ezek a lapos négyzetek (G-kvartettek) egymásra vannak rakva, hogy meglehetősen stabil, sűrű struktúrákat (G-quadruplex) képezzenek.

Négy különálló DNS-szál négyszálú komplexekké szőhető, de ez inkább kivétel. Gyakrabban előfordul, hogy egyetlen nukleinsavszálat egyszerűen csomóba kötnek, jellegzetes megvastagodásokat hozva létre (például a kromoszómák végein), vagy a kettős szálú DNS lokális kvadrupplexet képez valamilyen guaninban gazdag helyen.

A legtöbbet tanulmányozott kvadrupplexek létezése a kromoszómák végén - a telomereken és az onkopromoterekben. Az ilyen DNS-ek humán kromoszómákban való lokalizációjának teljes megértése azonban még mindig nem ismert.

Mindezek a szokatlan DNS-struktúrák lineáris formában instabilok a DNS B-formájához képest. A DNS azonban gyakran topológiai feszültség gyűrűs alakjában létezik, amikor az úgynevezett szupertekercselés. Ilyen körülmények között könnyen kialakulnak nem kanonikus DNS-struktúrák: Z-formák, "keresztek" és "hajtűk", H-formák, guanin kvadrupplexek és az i-motívum.

  • Szupertekervényes forma – akkor figyelhető meg, amikor a pentóz-foszfát gerinc károsodása nélkül szabadul fel a sejtmagból. Szupercsavart zárt gyűrűk formája van. Szupercsavart állapotban a DNS kettős hélix legalább egyszer „magára csavarodik”, azaz legalább egy szupertekercset tartalmaz (nyolcas alakot vesz fel).
  • A DNS ellazult állapota – egyetlen töréssel (egy szál törésével) figyelhető meg. Ebben az esetben a szuperspirálok eltűnnek, és a DNS zárt gyűrűt ölt.
  • A DNS lineáris formája akkor figyelhető meg, ha a kettős hélix két szála megszakad.
A DNS mindhárom felsorolt ​​formája könnyen elválasztható gélelektroforézissel.

A DNS harmadlagos szerkezete

A DNS harmadlagos szerkezete egy kétszálú molekula térbeli további csavarodása - szupertekervénye - eredményeként jön létre. A DNS-molekula szuperspirálozása az eukarióta sejtekben a prokariótáktól eltérően fehérjékkel alkotott komplexek formájában történik.

Szinte az összes eukarióta DNS a sejtmag kromoszómáiban található, csak kis része található meg a mitokondriumokban, valamint a növényekben és a plasztidokban. Az eukarióta sejtek kromoszómáinak (beleértve az emberi kromoszómákat is) fő anyaga a kromatin, amely kettős szálú DNS-ből, hisztonból és nem hiszton fehérjékből áll.

A kromatin hiszton fehérjéi

A hisztonok egyszerű fehérjék, amelyek a kromatin 50%-át teszik ki. Az összes vizsgált állati és növényi sejtben a hisztonok öt fő osztályát találtuk: H1, H2A, H2B, H3, H4, amelyek méretükben, aminosav-összetételükben és töltésében különböznek (mindig pozitívak).

Az emlős hiszton H1 egyetlen polipeptidláncból áll, amely körülbelül 215 aminosavat tartalmaz; más hisztonok mérete 100 és 135 aminosav között változik. Mindegyikük spirálozott és körülbelül 2,5 nm átmérőjű gömbölyűvé van csavarva, szokatlanul nagy mennyiségű pozitív töltésű aminosavat tartalmaznak, lizint és arginint. A hisztonok lehetnek acetilezve, metilezve, foszforilálva, poli(ADP)-ribozilálva, a H2A és H2B hisztonok pedig kovalensen kapcsolódhatnak az ubiquitinhez. Még nem teljesen tisztázott, hogy mi a szerepe az ilyen módosításoknak a hisztonok szerkezetének és funkcióinak kialakításában. Feltételezhető, hogy ez az a képességük, hogy kölcsönhatásba lépnek a DNS-sel, és biztosítják a gének működésének szabályozásának egyik mechanizmusát.

A hisztonok elsősorban a DNS-sel lépnek kölcsönhatásba ionos kötések(sóhidak) képződnek a DNS negatív töltésű foszfátcsoportjai és a pozitív töltésű lizin és arginin hisztonmaradékai között.

A kromatin nem hiszton fehérjéi

A nem hiszton fehérjék, ellentétben a hisztonokkal, nagyon változatosak. A DNS-kötő nemhiszton fehérjék 590 különböző frakcióját izolálták. Ezeket savas fehérjéknek is nevezik, mivel szerkezetükben a savas aminosavak dominálnak (polianionok). A kromatin aktivitás specifikus szabályozása számos nem hiszton fehérjéhez kapcsolódik. Például a DNS replikációjához és expressziójához nélkülözhetetlen enzimek átmenetileg kötődhetnek a kromatinhoz. Más fehérjék, mondjuk a különféle szabályozási folyamatokban részt vevők, csak meghatározott szövetekben vagy a differenciálódás bizonyos szakaszaiban kötődnek a DNS-hez. Mindegyik fehérje komplementer egy meghatározott DNS-nukleotidszekvenciával (DNS-hely). Ez a csoport a következőket tartalmazza:

  • helyspecifikus cink ujjfehérjék családja. Minden "cink ujj" felismer egy specifikus helyet, amely 5 nukleotidpárból áll.
  • helyspecifikus fehérjék családja - homodimerek. Egy ilyen fehérje DNS-sel érintkező fragmense "hélix-forduló" szerkezetű.
  • a nagy mobilitású fehérjék (HMG proteins - angolul high mobility gel proteins) a strukturális és szabályozó fehérjék egy csoportja, amelyek folyamatosan kapcsolatban állnak a kromatinnal. Molekulatömege kisebb, mint 30 kD, és magas töltött aminosavtartalom jellemzi őket. Alacsony molekulatömegük miatt a HMG fehérjék rendkívül mobilak a poliakrilamid gélelektroforézis során.
  • replikációs, transzkripciós és javítási enzimek.

A DNS és az RNS szintézisében részt vevő szerkezeti, szabályozó fehérjék és enzimek részvételével a nukleoszómaszál erősen kondenzált fehérjék és DNS komplexekké alakul. A kapott szerkezet 10 000-szer rövidebb, mint az eredeti DNS-molekula.

Kromatin

A kromatin fehérjék komplexe nukleáris DNS-sel és szervetlen anyagokkal. A kromatin nagy része inaktív. Sűrűn tömörített, kondenzált DNS-t tartalmaz. Ez a heterokromatin. Létezik konstitutív, genetikailag inaktív kromatin (műhold DNS), amely nem expresszálódott régiókból áll, és fakultatív - több generáción át inaktív, de bizonyos körülmények között képes expresszálni.

Az aktív kromatin (euchromatin) nem kondenzált, azaz. kevésbé szorosan csomagolva. BAN BEN különböző sejtek tartalma 2 és 11% között mozog. Az agy sejtjeiben ez a legtöbb - 10-11%, a máj sejtjeiben - 3-4 és a vesékben - 2-3%. Létezik az euchromatin aktív transzkripciója. Ugyanakkor szerkezeti felépítése lehetővé teszi, hogy az adott szervezetben rejlő azonos DNS-genetikai információt különböző módon használjuk fel speciális sejtekben.

Elektronmikroszkópban a kromatin képe gyöngyökhöz hasonlít: körülbelül 10 nm méretű gömbszerű vastagodások, amelyeket fonalas hidak választanak el. Ezeket a gömb alakú megvastagodásokat nukleoszómáknak nevezzük. A nukleoszóma a kromatin szerkezeti egysége. Mindegyik nukleoszóma tartalmaz egy 146 bp hosszú szupertekercses DNS-szegmenst, amely nukleoszómamagonként 1,75 bal oldali fordulatot képez. A nukleoszómális mag egy hisztonoktamer, amely a H2A, H2B, H3 és H4 hisztonokból, minden típusból két-két molekulából áll (9. ábra), amely úgy néz ki, mint egy 11 nm átmérőjű és 5,7 nm vastagságú korong. Az ötödik hiszton, a H1, nem része a nukleoszómális magnak, és nem vesz részt a hisztonoktamer körüli DNS tekercselésének folyamatában. Azokon a pontokon érintkezik a DNS-sel, ahol a kettős hélix belép és kilép a nukleoszómális magból. Ezek a DNS intercore (linker) szakaszai, amelyek hossza a sejt típusától függően 40 és 50 nukleotid pár között változik. Ennek eredményeként a nukleoszómák részét képező DNS-fragmens hossza is változik (186-196 nukleotidpár).

A nukleoszóma a DNS körülbelül 90%-át tartalmazza, a többi része a linker. Úgy gondolják, hogy a nukleoszómák a "néma" kromatin töredékei, míg a linker aktív. A nukleoszómák azonban kibontakozhatnak és lineárissá válhatnak. A kibontott nukleoszómák már aktív kromatin. Ez egyértelműen mutatja a függvény függését a szerkezettől. Feltételezhető, hogy minél több kromatin van a globuláris nukleoszómák összetételében, annál kevésbé aktív. Nyilvánvaló, hogy a különböző sejtekben a nyugvó kromatin egyenlőtlen aránya összefügg az ilyen nukleoszómák számával.

Az elektronmikroszkópos fényképeken az izolálás körülményeitől és a nyújtás mértékétől függően a kromatin nem csak egy hosszú fonalnak, megvastagodásokkal - nukleoszóma "gyöngyökkel" - tűnhet, hanem rövidebb és sűrűbb fibrillának (szálnak) is, amelynek átmérője kb. 30 nm, amelynek képződése a DNS linker régiójához kapcsolódó H1 hiszton és a H3 hiszton kölcsönhatása során figyelhető meg, ami menetenként hat nukleoszóma hélixének további csavarodásához vezet egy 30 nm átmérőjű szolenoid kialakulásával. . Ebben az esetben a hisztonfehérje számos gén transzkripcióját zavarhatja, és így szabályozhatja azok aktivitását.

A DNS fent leírt hisztonokkal való kölcsönhatása eredményeként a DNS kettős hélix egy 186 bázispárból álló, átlagosan 2 nm átmérőjű és 57 nm hosszúságú szegmense 10 nm átmérőjű és hosszú hélixmé alakul. 5 nm. Ennek a hélixnek ezt követően 30 nm átmérőjű szálra történő összenyomásával a kondenzáció mértéke további hatszorosára nő.

Végül a DNS-duplex öt hisztonnal való csomagolása 50-szeres DNS-kondenzációt eredményez. Azonban még így is magas fokozat a kondenzáció nem magyarázza meg a közel 50-100 ezerszeres DNS-tömörödést a metafázis kromoszómájában. Sajnos a kromatin további pakolódásának részletei a metafázisú kromoszómáig még nem ismertek, ezért ennek a folyamatnak csak az általános jellemzői jöhetnek számításba.

A DNS-tömörítés szintjei a kromoszómákban

Minden DNS-molekula külön kromoszómába van csomagolva. A diplomid emberi sejtek 46 kromoszómát tartalmaznak, amelyek a sejtmagban találhatók. Egy sejt összes kromoszómájának DNS-ének teljes hossza 1,74 m, de a mag átmérője, amelyben a kromoszómák vannak, milliószor kisebb. A kromoszómákba és a sejtmagban lévő kromoszómákba a DNS ilyen kompakt tömörülését különféle hiszton és nem hiszton fehérjék biztosítják, amelyek egy bizonyos szekvenciában kölcsönhatásba lépnek a DNS-sel (lásd fent). A DNS kromoszómákban történő tömörítése lehetővé teszi lineáris méreteinek körülbelül 10 000-szeres csökkentését - feltételesen 5 cm-ről 5 mikronra. A tömörítésnek több szintje van (10. ábra).

  • A DNS kettős hélix egy negatív töltésű molekula, amelynek átmérője 2 nm és hossza néhány cm.
  • nukleoszómális szint- a kromatin elektronmikroszkópban "gyöngyök" - nukleoszómák - "szálon" lévő láncnak néz ki. A nukleoszóma egy univerzális szerkezeti egység, amely mind az euchromatinban, mind a heterokromatinban, az interfázisú magban és a metafázisú kromoszómákban megtalálható.

    A tömörítés nukleoszómális szintjét speciális fehérjék - hisztonok - biztosítják. Nyolc pozitív töltésű hisztondomén alkotja a nukleoszóma magját (magját), amely köré a negatív töltésű DNS-molekula tekered. Ez 7-szeres rövidülést ad, miközben az átmérő 2-ről 11 nm-re nő.

  • mágnesszelep szint

    A kromoszóma-szerveződés szolenoid szintjét a nukleoszóma filamentum elcsavarodása és 20-35 nm átmérőjű vastagabb fibrillák - szolenoidok vagy szuperbidek - képződése jellemzi. A szolenoid hangmagassága 11 nm, fordulatonként körülbelül 6-10 nukleoszóma van. Valószínűbbnek tartják a szolenoidos pakolást, mint a szuperbid pakolást, amely szerint egy 20-35 nm átmérőjű kromatinszál egy szemcsékből vagy szuperbidekből álló lánc, amelyek mindegyike nyolc nukleoszómából áll. Solenoid szinten a DNS lineáris mérete 6-10-szeresére csökken, az átmérő 30 nm-re nő.

  • hurokszint

    A hurokszintet nem hiszton helyspecifikus DNS-kötő fehérjék biztosítják, amelyek felismerik és kötődnek specifikus DNS-szekvenciákhoz, körülbelül 30-300 kb méretű hurkokat képezve. A hurok biztosítja a génexpressziót, azaz. a hurok nemcsak szerkezeti, hanem funkcionális képződmény is. A rövidülés ezen a szinten 20-30-szor történik. Az átmérő 300 nm-re nő. A citológiai készítményeken kétéltű petesejtekben hurokszerű "lámpakefe" struktúrák láthatók. Ezek a hurkok szuperspirálnak tűnnek, és DNS-doméneket képviselnek, amelyek valószínűleg a kromatin transzkripció és replikáció egységeinek felelnek meg. Specifikus fehérjék rögzítik a hurkok alapjait és esetleg egyes belső régióikat. A hurokszerű doménszerveződés elősegíti a metafázisú kromoszómák kromatinjának magasabb rendű spirális szerkezetekké való feltekeredését.

  • domain szinten

    A kromoszóma szerveződésének doménszintjét nem vizsgálták eléggé. Ezen a szinten a hurokdomének kialakulása figyelhető meg - a 60% fehérjét, 35% DNS-t és 5% RNS-t tartalmazó, 25-30 nm vastag filamentumok (fibrillumok) gyakorlatilag láthatatlanok a sejtciklus minden fázisában. a mitózis kivételével, és némileg véletlenszerűen oszlanak el a sejtmagban. A citológiai készítményeken kétéltű petesejtekben hurokszerű "lámpakefe" struktúrák láthatók.

    A hurokdomének bázisukkal az intranukleáris fehérjemátrixhoz kapcsolódnak az úgynevezett beépített kapcsolódási helyeken, amelyeket gyakran MAR / SAR szekvenciáknak neveznek (MAR, az angol mátrixhoz kapcsolódó régióból; ​​SAR, az angol scaffold kapcsolódási régiókból) - Több száz hosszú bázispárból álló DNS-fragmensek, amelyekre jellemző az A/T bázispárok magas (>65%) tartalma. Úgy tűnik, hogy minden tartomány egyetlen replikációs origóval rendelkezik, és autonóm szupertekercses egységként működik. Bármely hurokdomén sok transzkripciós egységet tartalmaz, amelyek működése valószínűleg koordinált – a teljes tartomány aktív vagy inaktív állapotban van.

    Domén szinten a kromatin szekvenciális pakolása következtében a DNS lineáris mérete körülbelül 200-szorosára (700 nm) csökken.

  • kromoszóma szint

    A kromoszómális szinten a profázis kromoszóma metafázissá kondenzálódik a hurokdomének tömörítésével a nem hiszton fehérjék axiális kerete körül. Ezt a szuperspirálozást a sejtben lévő összes H1 molekula foszforilációja kíséri. Ennek eredményeként a metafázisú kromoszóma sűrű spirálba tekercselt, sűrűn tömött szolenoid hurkokként ábrázolható. Egy tipikus emberi kromoszóma akár 2600 hurkot is tartalmazhat. Egy ilyen szerkezet vastagsága eléri az 1400 nm-t (két kromatid), miközben a DNS-molekula 104-szeresére rövidül, azaz. 5 cm-ről megfeszített DNS-ről 5 µm-re.

A kromoszómák funkciói

Az extrakromoszómális mechanizmusokkal kölcsönhatásban a kromoszómák biztosítják

  1. örökletes információk tárolása
  2. ezen információk felhasználásával a sejtes szervezet létrehozására és fenntartására
  3. az örökletes információk olvasásának szabályozása
  4. a genetikai anyag önmegkettőzése
  5. a genetikai anyag átvitele anyasejtről leánysejtekre.

Bizonyíték van arra, hogy egy kromatin régió aktiválásakor, pl. A transzkripció során először a H1 hiszton, majd a hisztonoktett távolodik el reverzibilisen. Ez okozza a kromatin dekondenzációját, a 30 nm-es kromatinszál egymás utáni átalakulását 10 nm-es filamentummá, és további kibontakozását a szabad DNS régióiba, pl. a nukleoszómális szerkezet elvesztése.

Viselkedés: evolúciós megközelítés Kurcsanov Nyikolaj Anatoljevics

1.2. A genetikai anyag rendszerezése

A genetikai apparátus szerkezeti és funkcionális felépítése meghatározza az összes élő szervezet felosztását prokariótákra és eukariótákra. A prokariótákban (beleértve a baktériumokat és az archaeákat is) a DNS-t egy kör alakú molekula képviseli, és a sejt citoplazmájában található. Az eukariótákban (beleértve az összes többi szervezetet is) a DNS a genetikai információ szerkezeti hordozója. kromoszómák, a sejtmagban található.

A kromoszómák egy összetett többszintű szerkezet, amelyben a DNS különböző fehérjékkel kölcsönhatásba lép. Alapszint ez a szerkezet nukleoszómák amelyek nyolc fehérjemolekulából álló gömböcskék hisztonok,összefonódott DNS. A nukleohiszton szál többször összehajtva, kompakt kromoszómákat képezve. Ez a struktúra széles szabályozási lehetőségeket nyit meg.

Mivel egy szervezetben a gének száma összemérhetetlen több szám kromoszómák, egyértelmű, hogy minden kromoszóma sok gént hordoz. Minden gén meghatározott helyet foglal el a kromoszómában. locus. Az azonos kromoszómán elhelyezkedő géneket ún linkelve.

Az eukarióta sejt genetikai információinak kis hányada a sejtmagon kívül olyan organellumokban található, mint a mitokondriumok és a kloroplasztiszok, amelyeknek saját genetikai rendszerük van: saját DNS-ük, különféle RNS-ek (i-RNS, t-RNS, r -RNS) és riboszómák, amely lehetővé teszi a független szintézis mókus. Ezen organellumok körkörös DNS-e fontos érv volt bakteriális szimbiotikus eredetük mellett az élet kialakulásának hajnalán.

Az eukarióták sejtmagja elválasztja a transzkripció és a transzláció folyamatait, ami bőséges lehetőséget biztosít a szabályozásra. A szabályozás az eukarióta génexpresszió minden szakaszában megtörténik. További lépésük az feldolgozás - a transzkripció során szintetizált RNS komplex átalakulásának folyamata. Az mRNS feldolgozás legfontosabb összetevője az toldás, amelyen a vágás megtörténik intronok(a gén nem kódoló régiói) és a keresztkötések exonok(kódoló régiók). Az exonok és intronok határozzák meg az eukarióta gének "mozaik" szerkezetét. A feldolgozás eredményeként a sejtmagban szintetizált RNS funkcionálisan aktívvá válik.

A szabályozás sokrétű mechanizmusainak megértése radikális változásokat idézett elő a genetikai apparátus szerkezeti és funkcionális szerveződéséről alkotott elképzeléseinkben jelenleg.

Az egyik alapító modern genetika, a kiváló dán tudós, V. Johannsen (1857–1927) alapvető genetikai kifejezéseket javasolt - gén, allél, genotípus, fenotípus, amelyek meghatározzák az egyed genetikai jellemzőit.

A lókuszaikon elhelyezkedő géneknek lehetnek változatai − allélek. Az olyan lókuszt, amely egynél több allélt tartalmaz egy populációban, polimorfnak nevezzük. Általában az allélokat a latin vagy a görög ábécé betűivel jelölik, és ha sok van belőlük, akkor felső indexszel. Az élőlények populációiban a különböző gének alléljainak száma eltérő lehet. Egyes géneknek sok allélja van, másoknak kevés. Az allélok számát mindenesetre evolúciós tényezők korlátozzák: a faj adaptív tulajdonságait rontó, vagy az élettel összeférhetetlen allélokat a természetes szelekció eliminálja.

Egy adott eukarióta szervezetnek egyetlen génnek csak két allélja van: a homológ kromoszómák (apai és anyai) homológ lókuszainak száma szerint. Olyan organizmust, amelyben mindkét allél azonos, nevezzük homozigóta(ehhez a génhez). A különböző allélokkal rendelkező szervezetet ún heterozigóta(1.4. ábra). A heterogametikus nem ivari kromoszómáin lokalizált allélok jelen lehetnek az egyes számban.

Genotípus egy organizmus alléleinek halmazaként ábrázolható, és fenotípus - külső jellemzőinek összességeként.

A kifejezést G. Winkler (1877–1945) német botanikus vezette be 1920-ban. genom egész élőlényfaj jellemzője lett, nem pedig egy konkrét egyed. Ez a koncepció később az egyik legfontosabb lett. Az 1980-as évekre 20. század a genetika új ága, a genomika van kialakulóban. Kezdetben a genomot haploid génlókuszok gyűjteményeként jellemezték. Kiderült azonban, hogy maguk a gének a genom viszonylag kis részét foglalják el, bár az alapját képezik. Legtöbbjüket intergénikus régiók foglalják el, ahol vannak szabályozó funkciójú régiók, valamint ismeretlen rendeltetésű régiók. A szabályozó régiók elválaszthatatlanul kapcsolódnak a génekhez, ezek egyfajta "utasítások", amelyek meghatározzák a gének munkáját a szervezet fejlődésének különböző szakaszaiban. Ezért a genomot jelenleg a sejt teljes DNS-készletének nevezik, amely jellemző a faj DNS-ére.

A genetika fejlődésének jelenlegi szakaszában a genomika az egyik kulcsfontosságú részévé válik. A genomika sikerét egyértelműen bizonyította a Humán Genom Program sikeres lezárása.

Rizs. 1.4. Két homológ kromoszóma kapcsolt génjeinek alléljei

A Mikrobiológia: előadási jegyzetek című könyvből szerző Tkachenko Ksenia Viktorovna

1. A baktériumok örökítőanyagának felépítése A baktériumok örökletes apparátusát egy kromoszóma képviseli, amely egy DNS-molekula, amely spiralizálva van, és gyűrűvé hajtogatja. Ez a gyűrű egy ponton a citoplazmatikus membránhoz kapcsolódik. Tovább

Az agrárcivilizáció válsága és genetikailag című könyvből módosított organizmusok szerző Glazko Valerij Ivanovics

Megközelítések idegen genetikai anyag élelmiszerekben való kimutatására

A TEREMTŐ BÉLYEGE című könyvből. A földi élet keletkezésének hipotézise. szerző Filatov Felix Petrovics

Második rész? Genetikai kódoló gép

A pszichofiziológia alapjai című könyvből szerző Alekszandrov Jurij

11. fejezet A genetikai kódolás mechanikája (XI) Bármely tankönyvben olvashatsz róla. És mégis - a következő okfejtés megértésének megkönnyítése érdekében - térjünk át nagyon röviden a kódológép működésére. Barbieri az ilyen gépek kialakulását annak tulajdonítja

Fenetika könyvéből [Evolúció, népesség, jel] szerző Jablokov Alekszej Vladimirovics

Harmadik rész? A genetikai kódolás aritmetikája

A Teremtő márkája című könyvből szerző Filatov Felix Petrovics

A. fejezet A genetikai kód analóg táblázatai (XIII) Kitűnő tudósunk, Jurij Boriszovics Rumer volt az első, aki megkísérelte a genetikai kód táblázatának egyszerűsítését és racionális alapokra építését. Fizikus volt, Max Born tanítványa, jól tudta Albert Einstein,

A szerző könyvéből

B. fejezet A genetikai kód barion-digitalizálása (XIV) 1D és 2D FORMÁTUMOK Szigorúan véve egy rendszer konzervált kvantumszámát barionszámnak nevezzük. Ebben a témában nem kell elmélyülnünk. Talán csak arra érdemes emlékezni, hogy egy barion az elemi részecske,

A szerző könyvéből

8.6. A patológia anyagának jelentősége a viselkedés szisztémás szerveződésének vizsgálata szempontjából

A szerző könyvéből

Mutációs folyamat – az evolúciós anyag első szállítója Az elemi evolúciós tényezőket a populációkra gyakorolt ​​hatásuk jellege és jellege, valamint a populációkra gyakorolt ​​nyomás eredménye alapján különböztetjük meg. Ugyanakkor a szükséges és elégséges

A szerző könyvéből

A populáció fluktuációja – az evolúció második anyagszállítója Az egyik legfontosabb evolúciós tényező az egyedszám időszakos változása, a populációs hullámok. Ebben az esetben pozitív és negatív irányú ingadozásokról beszélünk, amelyek egymást helyettesítik.

A szerző könyvéből

Egy populáció genetikai összetételének dinamikájának tanulmányozása A könyv elején hangsúlyozták, hogy az egyik kritikus feladatokat modern populációkutatás – anyagok beszerzése a természetes populációk legkülönfélébb evolúciós helyzeteiről, különösen,

A szerző könyvéből

A. fejezet A genetikai kód analóg táblázatai (XIII) Kitűnő tudósunk, Jurij Boriszovics Rumer volt az első, aki megkísérelte a genetikai kód táblázatának egyszerűsítését és racionális alapokra építését. Fizikus volt, Max Born tanítványa, jól ismerte Albert Einsteint.

A szerző könyvéből

B. fejezet: A genetikai kód baryonos digitalizálása (xiv)

Lehet, hogy érdekel