DNS ģenētiskā organizācija. Diplomdarbs: Ģenētiskā materiāla strukturālā un funkcionālā organizācija. Iedzimtā materiāla pašreprodukcija. DNS replikācija

Labajā pusē ir lielākā cilvēka DNS spirāle, kas uzbūvēta no cilvēkiem Varnas (Bulgārija) pludmalē, kas tika iekļauta Ginesa rekordu grāmatā 2016. gada 23. aprīlī.

Dezoksiribonukleīnskābe. Galvenā informācija

DNS (dezoksiribonukleīnskābe) ir sava veida dzīves plāns, sarežģīts kods, kas satur datus par iedzimtu informāciju. Šī sarežģītā makromolekula spēj uzglabāt un pārsūtīt iedzimtu ģenētisko informāciju no paaudzes paaudzē. DNS nosaka tādas jebkura dzīvā organisma īpašības kā iedzimtība un mainīgums. Tajā iekodētā informācija nosaka visu jebkura dzīva organisma attīstības programmu. Ģenētiski iestrādāti faktori nosaka visu cilvēka un jebkura cita organisma dzīves gaitu. Mākslīga vai dabiska ārējās vides ietekme var tikai nedaudz ietekmēt atsevišķu ģenētisko īpašību kopējo smagumu vai ietekmēt ieprogrammēto procesu attīstību.

Dezoksiribonukleīnskābe(DNS) ir makromolekula (viena no trim galvenajām, pārējās divas ir RNS un olbaltumvielas), kas nodrošina uzglabāšanu, pārnešanu no paaudzes paaudzē un ģenētiskās programmas īstenošanu dzīvo organismu attīstībai un funkcionēšanai. DNS satur informāciju par dažāda veida RNS un proteīnu struktūru.

Eikariotu šūnās (dzīvniekiem, augiem un sēnēm) DNS ir atrodama šūnu kodolā kā daļa no hromosomām, kā arī dažās šūnu organellās (mitohondrijās un plastidos). Prokariotu organismu (baktēriju un arheju) šūnās no iekšpuses pie šūnas membrānas ir piestiprināta apļveida vai lineāra DNS molekula, tā sauktais nukleoīds. Viņiem un zemākajiem eikariotiem (piemēram, raugiem) ir arī nelielas autonomas, galvenokārt apļveida DNS molekulas, ko sauc par plazmīdām.

No ķīmiskā viedokļa DNS ir gara polimēra molekula, kas sastāv no atkārtotiem blokiem - nukleotīdiem. Katrs nukleotīds sastāv no slāpekļa bāzes, cukura (dezoksiribozes) un fosfātu grupas. Saites starp nukleotīdiem ķēdē veido dezoksiriboze ( AR) un fosfātu ( F) grupas (fosfodiestera saites).


Rīsi. 2. Nukletīds sastāv no slāpekļa bāzes, cukura (dezoksiribozes) un fosfātu grupas

Lielākajā daļā gadījumu (izņemot dažus vīrusus, kas satur vienpavedienu DNS) DNS makromolekula sastāv no divām ķēdēm, kas viena pret otru orientētas ar slāpekļa bāzēm. Šī divpavedienu molekula ir savīti spirālē.

DNS ir četri veidi slāpekļa bāzes(adenīns, guanīns, timīns un citozīns). Vienas ķēdes slāpekļa bāzes ir savienotas ar otras ķēdes slāpekļa bāzēm ar ūdeņraža saitēm saskaņā ar komplementaritātes principu: adenīns savienojas tikai ar timīnu ( A-T), guanīns - tikai ar citozīnu ( G-C). Tieši šie pāri veido DNS spirālveida "kāpņu" "kāpnes" (sk. 2., 3. un 4. att.).


Rīsi. 2. Slāpekļa bāzes

Nukleotīdu secība ļauj "kodēt" informāciju par dažāda veida RNS, no kurām svarīgākās ir informatīvā jeb šablona (mRNS), ribosomālā (rRNS) un transporta (tRNS). Visi šie RNS veidi tiek sintezēti uz DNS šablona, ​​kopējot DNS secību transkripcijas laikā sintezētajā RNS secībā un piedalās proteīnu biosintēzē (tulkošanas procesā). Papildus kodējošām sekvencēm šūnu DNS satur sekvences, kas veic regulējošas un strukturālas funkcijas.


Rīsi. 3. DNS replikācija

Pamata kombināciju atrašanās vieta ķīmiskie savienojumi DNS un kvantitatīvās attiecības starp šīm kombinācijām nodrošina iedzimtas informācijas kodēšanu.

Izglītība jauna DNS (replikācija)

  1. Replikācijas process: DNS dubultās spirāles attīšana - komplementāru virkņu sintēze ar DNS polimerāzes palīdzību - divu DNS molekulu veidošanās no vienas.
  2. Dubultā spirāle "atslēdzas" divās atzaros, kad fermenti pārtrauc saikni starp ķīmisko savienojumu bāzes pāriem.
  3. Katrs zars ir jauns DNS elements. Jauni bāzes pāri tiek savienoti tādā pašā secībā kā vecākzarā.

Pēc dublēšanas tiek izveidotas divas neatkarīgas spirāles, kas izveidotas no sākotnējās DNS ķīmiskajiem savienojumiem un kurām ir vienāds ģenētiskais kods. Tādā veidā DNS spēj izvilkt informāciju no šūnas uz šūnu.

Sīkāka informācija:

NULEĪNSKĀBJU STRUKTŪRA


Rīsi. 4 . Slāpekļa bāzes: adenīns, guanīns, citozīns, timīns

Dezoksiribonukleīnskābe(DNS) attiecas uz nukleīnskābēm. Nukleīnskābes ir neregulāru biopolimēru klase, kuru monomēri ir nukleotīdi.

NUKLEOTĪDI sastāv no slāpekļa bāze, kas savienots ar piecu ogļhidrātu ogļhidrātu (pentozi) - dezoksiriboze(DNS gadījumā) vai riboze(RNS gadījumā), kas savienojas ar fosforskābes atlikumu (H 2 PO 3 -).

Slāpekļa bāzes Ir divi veidi: pirimidīna bāzes - uracils (tikai RNS), citozīns un timīns, purīna bāzes - adenīns un guanīns.


Rīsi. 5. att. Nukleotīdu struktūra (pa kreisi), nukleotīda atrašanās vieta DNS (apakšā) un slāpekļa bāzu veidi (pa labi): pirimidīns un purīns


Oglekļa atomi pentozes molekulā ir numurēti no 1 līdz 5. Fosfāts savienojas ar trešo un piekto oglekļa atomu. Tādā veidā nukleīnskābes tiek savienotas kopā, veidojot nukleīnskābju ķēdi. Tādējādi mēs varam izolēt DNS virknes 3' un 5' galus:


Rīsi. 6. DNS virknes 3' un 5' galu izolēšana

Veidojas divi DNS pavedieni dubultspirāle. Šīs ķēdes spirālē ir orientētas pretējos virzienos. Dažādos DNS virknēs slāpekļa bāzes ir savienotas viena ar otru, izmantojot ūdeņraža saites. Adenīns vienmēr savienojas ar timīnu, un citozīns vienmēr apvienojas ar guanīnu. Tas tiek saukts komplementaritātes noteikums.

Papildināmības noteikums:

A-T G-C

Piemēram, ja mums tiek dota DNS virkne, kurai ir secība

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

tad otrā ķēde to papildinās un vērsta pretējā virzienā - no 5'-gala līdz 3'-galam:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.


Rīsi. 7. DNS molekulas ķēžu virziens un slāpekļa bāzu savienojums, izmantojot ūdeņraža saites

DNS REPLIKĀCIJA

DNS replikācija ir DNS molekulas dublēšanas process ar matricas sintēze. Vairumā gadījumu dabiska DNS replikācijagruntējumsDNS sintēzei ir īss fragments (izveidots vēlreiz). Šādu ribonukleotīdu praimeru rada enzīms primāze (DNS primāze prokariotos, DNS polimerāze eikariotos), un pēc tam to aizstāj ar dezoksiribonukleotīdu polimerāzi, kas parasti veic remonta funkcijas (koriģē ķīmiskos bojājumus un DNS molekulas lūzumus).

Replikācija notiek daļēji konservatīvā veidā. Tas nozīmē, ka DNS dubultā spirāle atritinās un katrai tās ķēdei tiek pabeigta jauna ķēde saskaņā ar komplementaritātes principu. Tādējādi meitas DNS molekula satur vienu virkni no mātes molekulas un vienu tikko sintezētu. Replikācija notiek 3' līdz 5' virzienā no vecākvirsmas.

Rīsi. 8. DNS molekulas replikācija (dubultošanās).

DNS sintēze- tas nav tik sarežģīts process, kā varētu šķist no pirmā acu uzmetiena. Ja tā padomā, tad vispirms ir jāsaprot, kas ir sintēze. Tas ir kaut kā apvienošanas process. Jaunas DNS molekulas veidošanās notiek vairākos posmos:

1) DNS topoizomerāze, kas atrodas replikācijas dakšas priekšā, sagriež DNS, lai atvieglotu tās attīšanu un attīšanu.
2) DNS helikāze, sekojot topoizomerāzei, ietekmē DNS spirāles "attīšanas" procesu.
3) DNS saistošie proteīni veic DNS virkņu saistīšanu, kā arī veic to stabilizāciju, neļaujot tām pielipt vienai pie otra.
4) DNS polimerāze δ(delta) , saskaņots ar replikācijas dakšas kustības ātrumu, veic sintēzivadošaisķēdes meitasuzņēmums DNS virzienā 5" → 3" uz matricas mātes DNS virknes virzienā no tā 3" gala līdz 5" galam (ātrums līdz 100 bāzes pāriem sekundē). Šie notikumi par šo mātes DNS virknes ir ierobežotas.



Rīsi. 9. DNS replikācijas procesa shematisks attēlojums: (1) atpaliekošā virkne (lag virkne), (2) vadošā virkne (vadošā virkne), (3) DNS polimerāze α (Polα), (4) DNS ligāze, (5) RNS -praimeris, (6) primāze, (7) Okazaki fragments, (8) DNS polimerāze δ (Polδ ), (9) helikāze, (10) vienpavedienu DNS saistošie proteīni, (11) topoizomerāze.

Tālāk ir aprakstīta atpalikušā meitas DNS virknes sintēze (skatīt zemāk). shēma replikācijas dakša un replikācijas enzīmu funkcija)

Papildinformāciju par DNS replikāciju sk

5) Tūlīt pēc citas pamatmolekulas daļas attīšanas un stabilizēšanas tā pievienojasDNS polimerāze α(alfa)un virzienā 5 "→3" sintezē praimeru (RNS praimeri) - RNS sekvenci uz DNS šablona ar garumu no 10 līdz 200 nukleotīdiem. Pēc tam fermentsizņemta no DNS virknes.

Tā vietā DNS polimerāzeα piestiprināts gruntskrāsas 3" galam DNS polimerāzeε .

6) DNS polimerāzeε (epsilons) it kā turpina pagarināt grunti, bet kā substrāts iegulstdezoksiribonukleotīdi(150-200 nukleotīdu apjomā). Rezultātā no divām daļām veidojas ciets pavediens -RNS(t.i. gruntējums) un DNS. DNS polimerāze εdarbojas, līdz sastopas ar iepriekšējā primerfragments Okazaki(sintezēts nedaudz agrāk). Pēc tam šis enzīms tiek noņemts no ķēdes.

7) DNS polimerāze β(beta) ir vietāDNS polimerāzes ε,pārvietojas tajā pašā virzienā (5" → 3") un noņem primeru ribonukleotīdus, vienlaikus ievietojot dezoksiribonukleotīdus to vietā. Enzīms darbojas līdz pilnīgai gruntējuma noņemšanai, t.i. līdz dezoksiribonukleotīdam (vēl vairāk iepriekš sintezētamDNS polimerāze ε). Enzīms nespēj sasaistīt sava darba rezultātu un priekšā esošo DNS, tāpēc atstāj ķēdi.

Rezultātā meitas DNS fragments "guļ" uz mātes pavediena matricas. Tas tiek sauktsOkazaki fragments.

8) DNS ligāze saista divas blakus esošās fragmenti Okazaki , t.i. 5 "-segmenta beigas, sintezētsDNS polimerāze ε,un iebūvēts 3" ķēdes galsDNS polimerāzeβ .

RNS STRUKTŪRA

Ribonukleīnskābe(RNS) ir viena no trim galvenajām makromolekulām (pārējās divas ir DNS un olbaltumvielas), kas atrodas visu dzīvo organismu šūnās.

Tāpat kā DNS, RNS sastāv no garas ķēdes, kurā tiek saukta katra saite nukleotīds. Katrs nukleotīds sastāv no slāpekļa bāzes, ribozes cukura un fosfātu grupas. Tomēr atšķirībā no DNS RNS parasti ir viens, nevis divi pavedieni. Pentozi RNS attēlo riboze, nevis dezoksiriboze (ribozei ir papildu hidroksilgrupa uz otrā ogļhidrāta atoma). Visbeidzot, DNS atšķiras no RNS slāpekļa bāzu sastāvā: timīna vietā ( T) uracils atrodas RNS ( U) , kas arī papildina adenīnu.

Nukleotīdu secība ļauj RNS kodēt ģenētisko informāciju. Visi šūnu organismi izmanto RNS (mRNS), lai programmētu olbaltumvielu sintēzi.

Šūnu RNS veidojas procesā, ko sauc transkripcija , tas ir, RNS sintēze uz DNS veidnes, ko veic īpaši fermenti - RNS polimerāzes.

Pēc tam Messenger RNS (mRNS) piedalās procesā, ko sauc pārraide, tie. proteīnu sintēze uz mRNS šablona, ​​piedaloties ribosomām. Citas RNS pēc transkripcijas tiek pakļautas ķīmiskām modifikācijām, un pēc sekundāro un terciāro struktūru veidošanās tās veic funkcijas, kas ir atkarīgas no RNS veida.

Rīsi. 10. Atšķirība starp DNS un RNS slāpekļa bāzes ziņā: timīna (T) vietā RNS satur uracilu (U), kas arī ir komplementārs adenīnam.

TRANSKripcija

Šis ir RNS sintēzes process uz DNS veidnes. DNS atvienojas vienā no vietām. Viena no ķēdēm satur informāciju, kas jāiekopē uz RNS molekulas – šo ķēdi sauc par kodēšanu. Otro DNS virkni, kas ir komplementāra kodējošajai virknei, sauc par šablona virkni. Transkripcijas procesā uz šablona ķēdes 3'-5' virzienā (gar DNS ķēdi) tiek sintezēta tai komplementāra RNS ķēde. Tādējādi tiek izveidota kodējošās virknes RNS kopija.

Rīsi. 11. Transkripcijas shematisks attēlojums

Piemēram, ja mums ir dota kodēšanas virknes secība

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

tad saskaņā ar komplementaritātes likumu matricas ķēde nesīs secību

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

un no tā sintezētā RNS ir secība

RAIDĪJUMS

Apsveriet mehānismu proteīnu sintēze uz RNS matricas, kā arī ģenētiskais kods un tā īpašības. Tāpat skaidrības labad zemāk esošajā saitē iesakām noskatīties īsu video par transkripcijas un tulkošanas procesiem, kas notiek dzīvā šūnā:

Rīsi. 12. Olbaltumvielu sintēzes process: DNS kodē RNS, RNS kodē proteīnu

ĢENĒTISKAIS KODS

Ģenētiskais kods- proteīnu aminoskābju secības kodēšanas metode, izmantojot nukleotīdu secību. Katru aminoskābi kodē trīs nukleotīdu secība – kodons vai triplets.

Ģenētiskais kods, kas kopīgs lielākajai daļai pro- un eikariotu. Tabulā ir uzskaitīti visi 64 kodoni un norādītas atbilstošās aminoskābes. Bāzes secība ir no 5" līdz 3" mRNS galam.

1. tabula. Standarta ģenētiskais kods

1
pamats

nē

2. bāze

3
pamats

nē

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

Apturēt kodonu**

U G A

Apturēt kodonu**

A

U U G

U C G

U A G

Apturēt kodonu**

U G G

(Trp/W)

G

C

C U U

C C U

(Pro/P)

C A U

(Viņa/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

(Glu/E)

G G A

A

G U G

G C G

G A G

G G G

G

Starp tripletiem ir 4 īpašas secības, kas darbojas kā "pieturzīmes":

  • *Trīsnieks AUG, kas arī kodē metionīnu, sauc sākuma kodons. Šis kodons sāk proteīna molekulas sintēzi. Tādējādi proteīnu sintēzes laikā pirmā aminoskābe secībā vienmēr būs metionīns.
  • **Trīnīši UAA, UAG Un UGA sauca stopkodoni un nekodē nekādas aminoskābes. Šajās sekvencēs proteīnu sintēze apstājas.

Īpašības ģenētiskais kods

1. Trīskāršība. Katru aminoskābi kodē trīs nukleotīdu secība – triplets vai kodons.

2. Nepārtrauktība. Starp tripletiem nav papildu nukleotīdu, informācija tiek lasīta nepārtraukti.

3. Nepārklāšanās. Viens nukleotīds nevar būt daļa no diviem tripletiem vienlaikus.

4. Unikalitāte. Viens kodons var kodēt tikai vienu aminoskābi.

5. Deģenerācija. Vienu aminoskābi var kodēt vairāki dažādi kodoni.

6. Daudzpusība. Ģenētiskais kods visiem dzīvajiem organismiem ir vienāds.

Piemērs. Mums ir dota kodēšanas virknes secība:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Matricas ķēdei būs šāda secība:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Tagad mēs “sintezējam” informatīvo RNS no šīs ķēdes:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Olbaltumvielu sintēze notiek virzienā 5' → 3', tāpēc mums ir jāpārvērš secība, lai "nolasītu" ģenētisko kodu:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Tagad atrodiet sākuma kodonu AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Sadaliet secību trīskāršos:

izklausās šādi: informācija no DNS tiek pārnesta uz RNS (transkripcija), no RNS uz proteīnu (tulkošana). DNS var dublēt arī replikācijas ceļā, iespējams arī reversās transkripcijas process, kad DNS tiek sintezēta no RNS šablona, ​​taču šāds process galvenokārt raksturīgs vīrusiem.


Rīsi. 13. centrālā dogma molekulārā bioloģija

GENOMS: GĒNI UN HROMOSOMAS

(vispārīgi jēdzieni)

Genoms - visu organisma gēnu kopums; tās pilno hromosomu komplektu.

Terminu "genoms" ierosināja G. Vinklers 1920. gadā, lai aprakstītu gēnu kopumu, kas ietverts vienas un tās pašas bioloģiskās sugas organismu hromosomu haploīdajā komplektā. Šī termina sākotnējā nozīme norādīja, ka genoma jēdziens atšķirībā no genotipa ir sugas kopumā, nevis atsevišķas personas ģenētiska īpašība. Attīstoties molekulārajai ģenētikai, šī termina nozīme ir mainījusies. Ir zināms, ka DNS, kas lielākajā daļā organismu ir ģenētiskās informācijas nesējs un līdz ar to veido genoma pamatu, ietver ne tikai gēnus šī vārda mūsdienu izpratnē. Lielāko daļu eikariotu šūnu DNS attēlo nekodējošas (“liekas”) nukleotīdu sekvences, kas nesatur informāciju par olbaltumvielām un nukleīnskābēm. Tādējādi jebkura organisma genoma galvenā daļa ir visa tā haploīdās hromosomu kopas DNS.

Gēni ir DNS molekulu segmenti, kas kodē polipeptīdus un RNS molekulas.

Pēdējā gadsimta laikā mūsu izpratne par gēniem ir būtiski mainījusies. Iepriekš genoms bija hromosomas reģions, kas kodē vai nosaka vienu iezīmi vai fenotipisks(redzams) īpašums, piemēram, acu krāsa.

1940. gadā Džordžs Bīdls un Edvards Tehems ierosināja gēna molekulāro definīciju. Zinātnieki apstrādāja sēnīšu sporas Neurospora crassa rentgenstari un citi aģenti izraisot pārmaiņas DNS secībā ( mutācijas), un konstatēja mutantu sēnīšu celmus, kas zaudēja dažus specifiskus enzīmus, kas dažos gadījumos izraisīja vielmaiņas ceļš. Beadle un Tatham nonāca pie secinājuma, ka gēns ir ģenētiskā materiāla sadaļa, kas definē vai kodē vienu fermentu. Tā ir hipotēze "viens gēns, viens ferments". Šis jēdziens vēlāk tika paplašināts līdz definīcijai "viens gēns - viens polipeptīds", jo daudzi gēni kodē olbaltumvielas, kas nav fermenti, un polipeptīds var būt kompleksa olbaltumvielu kompleksa apakšvienība.

Uz att. 14 parāda diagrammu, kā DNS tripleti nosaka polipeptīdu, proteīna aminoskābju secību, ko mediē mRNS. Viena no DNS virknēm spēlē veidnes lomu mRNS sintēzei, kuras nukleotīdu tripleti (kodoni) ir komplementāri DNS tripletiem. Dažās baktērijās un daudzos eikariotos kodēšanas sekvences tiek pārtrauktas ar nekodētiem reģioniem (tā saukto introni).

Mūsdienu gēna bioķīmiskā definīcija vēl konkrētāk. Gēni ir visas DNS sadaļas, kas kodē galaproduktu primāro secību, kas ietver polipeptīdus vai RNS, kam ir strukturāla vai katalītiska funkcija.

Kopā ar gēniem DNS satur arī citas sekvences, kas veic tikai regulējošu funkciju. Regulējošās secības var iezīmēt gēnu sākumu vai beigas, ietekmēt transkripciju vai norādīt replikācijas vai rekombinācijas sākuma vietu. Dažus gēnus var izteikt dažādos veidos, izmantojot vienu un to pašu DNS gabalu, kas kalpo par veidni dažādu produktu veidošanai.

Mēs varam aptuveni aprēķināt minimālais gēna lielums kas kodē starpproduktu proteīnu. Katru aminoskābi polipeptīdu ķēdē kodē trīs nukleotīdu secība; šo tripletu (kodonu) sekvences atbilst polipeptīda aminoskābju ķēdei, ko kodē dotais gēns. Polipeptīdu ķēde ar 350 aminoskābju atlikumiem (vidēja garuma ķēde) atbilst 1050 bp secībai. ( bp). Tomēr daudzus eikariotu gēnus un dažus prokariotu gēnus pārtrauc DNS segmenti, kas nenes informāciju par proteīnu, un tāpēc tie izrādās daudz garāki, nekā liecina vienkāršs aprēķins.

Cik gēnu atrodas vienā hromosomā?


Rīsi. 15. Skats uz hromosomām prokariotu (pa kreisi) un eikariotu šūnās. Histoni ir plaša kodolproteīnu klase, kas veic divas galvenās funkcijas: tie ir iesaistīti DNS virkņu iesaiņošanā kodolā un kodolprocesu epiģenētiskajā regulēšanā, piemēram, transkripcijā, replikācijā un labošanā.

Kā zināms, baktēriju šūnām ir hromosoma DNS virknes veidā, kas iepakota kompaktā struktūrā – nukleoīdā. prokariotu hromosoma Escherichia coli, kuras genoms ir pilnībā dekodēts, ir apļveida DNS molekula (patiesībā tas nav regulārs aplis, bet gan cilpa bez sākuma un beigām), kas sastāv no 4 639 675 bp. Šī secība satur aptuveni 4300 proteīna gēnu un vēl 157 gēnus stabilām RNS molekulām. IN cilvēka genoms aptuveni 3,1 miljards bāzes pāru, kas atbilst gandrīz 29 000 gēnu, kas atrodas 24 dažādās hromosomās.

Prokarioti (baktērijas).

Baktērija E. coli ir viena divpavedienu apļveida DNS molekula. Tas sastāv no 4 639 675 b.p. un sasniedz aptuveni 1,7 mm garumu, kas pārsniedz pašas šūnas garumu E. coli apmēram 850 reizes. Papildus lielajai apļveida hromosomai, kas ir daļa no nukleoīda, daudzas baktērijas satur vienu vai vairākas mazas apļveida DNS molekulas, kas brīvi atrodas citozolā. Šos ekstrahromosomu elementus sauc plazmīdas(16. att.).

Lielākā daļa plazmīdu sastāv tikai no dažiem tūkstošiem bāzu pāru, dažas satur vairāk nekā 10 000 bp. Tie nes ģenētisko informāciju un replikējas, veidojot meitas plazmīdas, kas iekļūst meitas šūnās mātes šūnas dalīšanās laikā. Plazmīdas atrodamas ne tikai baktērijās, bet arī raugā un citās sēnēs. Daudzos gadījumos plazmīdas saimniekšūnām nesniedz nekādas priekšrocības, un to vienīgais uzdevums ir vairoties neatkarīgi. Tomēr dažas plazmīdas satur saimniekam noderīgus gēnus. Piemēram, gēni, kas atrodas plazmīdās, var nodrošināt baktēriju šūnu rezistenci pret antibakteriāliem līdzekļiem. Plazmīdas, kas satur β-laktamāzes gēnu, nodrošina rezistenci pret β-laktāma antibiotikām, piemēram, penicilīnu un amoksicilīnu. Plazmīdas var pāriet no pret antibiotikām rezistentām šūnām uz citām tās pašas vai dažādu baktēriju sugas šūnām, izraisot arī šo šūnu rezistences veidošanos. Intensīva antibiotiku lietošana ir spēcīgs selektīvs faktors, kas veicina antibiotiku rezistenci kodējošo plazmīdu (kā arī transpozonu, kas kodē līdzīgus gēnus) izplatīšanos starp patogēnām baktērijām un noved pie baktēriju celmu rašanās ar rezistenci pret vairākām antibiotikām. Ārsti sāk izprast antibiotiku plašās lietošanas draudus un izraksta tās tikai tad, ja tas ir absolūti nepieciešams. Līdzīgu iemeslu dēļ plaši izplatītā antibiotiku lietošana lauksaimniecības dzīvnieku ārstēšanā ir ierobežota.

Skatīt arī: Ravins N.V., Šestakovs S.V. Prokariotu genoms // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. Nr. 4/2. 972.-984.lpp.

Eikarioti.

2. tabula. Dažu organismu DNS, gēni un hromosomas

kopīga DNS,

b.s.

Hromosomu skaits*

Aptuvenais gēnu skaits

Escherichia coli(baktērija)

4 639 675

4 435

Saccharomyces cerevisiae(raugs)

12 080 000

16**

5 860

Caenorhabditis elegans(nematode)

90 269 800

12***

23 000

Arabidopsis thaliana(augs)

119 186 200

33 000

Drosophila melanogaster(augļu mušiņa)

120 367 260

20 000

Oryza sativa(rīsi)

480 000 000

57 000

Muskuļi(pele)

2 634 266 500

27 000

Homo sapiens(cilvēks)

3 070 128 600

29 000

Piezīme. Informācija tiek pastāvīgi atjaunināta; Lai iegūtu jaunāko informāciju, skatiet atsevišķu genoma projektu tīmekļa vietnes.

* Visiem eikariotiem, izņemot raugu, ir dota diploīda hromosomu kopa. diploīds komplekts hromosomas (no grieķu diploos - dubultā un eidos - skats) - dubultā hromosomu kopa (2n), no kurām katrai ir homologa.
**Haploīds komplekts. Savvaļas rauga celmiem parasti ir astoņas (oktaploīdu) vai vairāk šo hromosomu kopas.
***Sievietēm ar divām X hromosomām. Vīriešiem ir X hromosoma, bet nav Y, t.i., tikai 11 hromosomas.

Rauga šūnā, kas ir viens no mazākajiem eikariotiem, ir 2,6 reizes vairāk DNS nekā šūnā E. coli(2. tabula). augļu mušu šūnas Drosophila, klasisks ģenētisko pētījumu objekts, satur 35 reizes vairāk DNS, un cilvēka šūnas satur aptuveni 700 reizes vairāk DNS nekā šūnas E. coli. Daudzi augi un abinieki satur vēl vairāk DNS. Eikariotu šūnu ģenētiskais materiāls ir sakārtots hromosomu formā. Diploīds hromosomu komplekts (2 n) ir atkarīgs no organisma veida (2. tabula).

Piemēram, cilvēka somatiskajā šūnā ir 46 hromosomas ( rīsi. 17). Katra hromosoma eikariotu šūnā, kā parādīts attēlā. 17, A, satur vienu ļoti lielu divpavedienu DNS molekulu. Divdesmit četras cilvēka hromosomas (22 pārī savienotas hromosomas un divas dzimuma hromosomas X un Y) garumā atšķiras vairāk nekā 25 reizes. Katra eikariotu hromosoma satur noteiktu gēnu komplektu.


Rīsi. 17. eikariotu hromosomas.A- savienotu un kondensētu māsu hromatīdu pāris no cilvēka hromosomas. Šajā formā eikariotu hromosomas paliek pēc replikācijas un metafāzē mitozes laikā. b- pilns hromosomu komplekts no viena no grāmatas autora leikocīta. Katra normāla cilvēka somatiskā šūna satur 46 hromosomas.

Ja DNS molekulas ir savienotas kopā cilvēka genoms(22 hromosomas un hromosomas X un Y vai X un X), jūs iegūstat aptuveni vienu metru garu secību. Piezīme. Visiem zīdītājiem un citiem heterogamētiskiem vīriešu kārtas organismiem mātītēm ir divas X hromosomas (XX), bet tēviņiem viena X hromosoma un viena Y hromosoma (XY).

Lielākā daļa cilvēka šūnu, tāpēc šādu šūnu kopējais DNS garums ir aptuveni 2 m. Pieaugušam cilvēkam ir aptuveni 10 14 šūnas, tāpēc visu DNS molekulu kopējais garums ir 2・10 11 km. Salīdzinājumam, Zemes apkārtmērs ir 4・10 4 km, un attālums no Zemes līdz Saulei ir 1,5・10 8 km. Lūk, cik pārsteidzoši kompakti iepakota DNS ir mūsu šūnās!

Eikariotu šūnās ir arī citi DNS saturoši organoīdi - tie ir mitohondriji un hloroplasti. Ir izvirzītas daudzas hipotēzes par mitohondriju un hloroplastu DNS izcelsmi. Mūsdienās vispārpieņemts viedoklis ir tāds, ka tie ir seno baktēriju hromosomu pamati, kas iekļuva saimniekšūnu citoplazmā un kļuva par šo organellu prekursoriem. Mitohondriju DNS kodē mitohondriju tRNS un rRNS, kā arī vairākus mitohondriju proteīnus. Vairāk nekā 95% mitohondriju proteīnu kodē kodola DNS.

GĒNU UZBŪVE

Apsveriet gēna struktūru prokariotos un eikariotos, to līdzības un atšķirības. Neskatoties uz to, ka gēns ir DNS sadaļa, kas kodē tikai vienu proteīnu vai RNS, tajā papildus tiešajai kodētajai daļai ir arī regulējošie un citi strukturālie elementi, kuriem prokariotos un eikariotos ir atšķirīga struktūra.

kodēšanas secība- gēna galvenā strukturālā un funkcionālā vienība, tajā atrodas nukleotīdu tripleti, kas kodēaminoskābju secība. Tas sākas ar sākuma kodonu un beidzas ar stopkodonu.

Pirms un pēc kodēšanas secības ir netulkotās 5' un 3' sekvences. Tie veic regulējošas un palīgfunkcijas, piemēram, nodrošina ribosomas nosēšanos uz mRNS.

Netulkotās un kodējošās sekvences veido transkripcijas vienību - transkribēto DNS reģionu, tas ir, DNS reģionu, no kura tiek sintezēts mRNS.

Terminators Netranskribēts DNS reģions gēna galā, kur apstājas RNS sintēze.

Gēna sākumā ir regulējuma joma, kas iekļauj veicinātājs Un operators.

veicinātājs- secība, ar kādu polimerāze saistās transkripcijas iniciācijas laikā. Operators- šī ir zona, ar kuru var saistīties īpašie proteīni - represori, kas var samazināt šī gēna RNS sintēzes aktivitāti – citiem vārdiem sakot, samazināt to izteiksme.

Gēnu struktūra prokariotos

Prokariotu un eikariotu gēnu struktūras vispārīgais plāns neatšķiras – abi satur regulējošo reģionu ar promotoru un operatoru, transkripcijas vienību ar kodējošām un netulkotām sekvencēm un terminatoru. Tomēr gēnu organizācija prokariotos un eikariotos ir atšķirīga.

Rīsi. 18. Prokariotu (baktēriju) gēna uzbūves shēma -attēls ir palielināts

Operona sākumā un beigās ir kopīgi regulējošie reģioni vairākiem strukturālajiem gēniem. No operona transkribētā apgabala tiek nolasīta viena mRNS molekula, kas satur vairākas kodējošās sekvences, no kurām katrai ir savs sākuma un beigu kodons. No katras no šīm jomāmtiek sintezēts viens proteīns. Tādējādi No vienas i-RNS molekulas tiek sintezētas vairākas olbaltumvielu molekulas.

Prokariotus raksturo vairāku gēnu kombinācija vienā funkcionālā vienībā - operons. Operona darbu var regulēt citi gēni, kurus var manāmi noņemt no paša operona - regulatori. No šī gēna tulkotais proteīns tiek saukts represors. Tas saistās ar operona operatoru, vienlaikus regulējot visu tajā esošo gēnu ekspresiju.

Prokariotus raksturo arī šī parādība transkripcijas un tulkošanas konjugācijas.


Rīsi. 19 Transkripcijas un translācijas konjugācijas parādība prokariotos - attēls ir palielināts

Šī savienošana pārī nenotiek eikariotos, jo ir kodola membrāna, kas atdala citoplazmu, kur notiek translācija, no ģenētiskā materiāla, uz kura notiek transkripcija. Prokariotos RNS sintēzes laikā uz DNS veidnes ribosoma var nekavējoties saistīties ar sintezēto RNS molekulu. Tādējādi tulkošana sākas pat pirms transkripcijas pabeigšanas. Turklāt vairākas ribosomas var vienlaikus saistīties ar vienu RNS molekulu, vienlaikus sintezējot vairākas viena proteīna molekulas.

Gēnu struktūra eikariotos

Eikariotu gēni un hromosomas ir ļoti sarežģīti sakārtotas.

Daudzu sugu baktērijām ir tikai viena hromosoma, un gandrīz visos gadījumos katrā hromosomā ir viena katra gēna kopija. Tikai daži gēni, piemēram, rRNS gēni, ir ietverti vairākās kopijās. Gēni un regulējošās sekvences veido gandrīz visu prokariotu genomu. Turklāt gandrīz katrs gēns stingri atbilst aminoskābju secībai (vai RNS secībai), ko tas kodē (14. att.).

Eikariotu gēnu strukturālā un funkcionālā organizācija ir daudz sarežģītāka. Eikariotu hromosomu izpēte un vēlāka sekvencēšana pilnīgas secības eikariotu genomi sagādāja daudz pārsteigumu. Daudzi, ja ne vairums, eikariotu gēnu ir interesanta iezīme: to nukleotīdu sekvences satur vienu vai vairākus DNS reģionus, kas nekodē polipeptīda produkta aminoskābju secību. Šādi netulkoti iestarpinājumi pārtrauc tiešo atbilstību starp nukleotīdu secība gēns un kodētā polipeptīda aminoskābju secība. Šos netulkotos segmentus gēnos sauc introni, vai iebūvēts sekvences un kodēšanas segmenti eksoni. Prokariotos tikai daži gēni satur intronus.

Tātad eikariotos praktiski nav gēnu kombinācijas operonos, un eikariotu gēna kodējošā secība visbiežāk tiek sadalīta tulkotajos reģionos. - eksoni, un netulkotās sadaļas - introni.

Vairumā gadījumu intronu funkcija nav noteikta. Kopumā tikai aptuveni 1,5% cilvēka DNS ir "kodēta", tas ir, tā nes informāciju par olbaltumvielām vai RNS. Taču, ņemot vērā lielos intronus, izrādās, ka 30% cilvēka DNS sastāv no gēniem. Tā kā gēni veido relatīvi nelielu daļu no cilvēka genoma, ievērojams DNS daudzums paliek nezināms.

Rīsi. 16. Eikariotu gēna uzbūves shēma - attēls ir palielināts

No katra gēna vispirms tiek sintezēts nenobriedis jeb pre-RNS, kas satur gan intronus, gan eksonus.

Pēc tam notiek splicēšanas process, kā rezultātā tiek izgriezti intronu apgabali, un veidojas nobriedusi mRNS, no kuras var sintezēt proteīnu.


Rīsi. 20. Alternatīvs savienošanas process - attēls ir palielināts

Šāda gēnu organizācija pieļauj, piemēram, kad no viena gēna var sintezēt dažādas proteīna formas, jo eksoni var sapludināt dažādās sekvencēs splicēšanas laikā.

Rīsi. 21. Prokariotu un eikariotu gēnu struktūras atšķirības - attēls ir palielināts

MUTĀCIJAS UN MUTAGĒZE

mutācija ko sauc par pastāvīgām genotipa izmaiņām, tas ir, par izmaiņām nukleotīdu secībā.

Procesu, kas noved pie mutācijas, sauc mutaģenēze, un organisms Visi kuru šūnās ir tāda pati mutācija mutants.

mutāciju teorija pirmo reizi formulēja Hjū de Vrīss 1903. gadā. Tās modernajā versijā ir iekļauti šādi noteikumi:

1. Mutācijas rodas pēkšņi, pēkšņi.

2. Mutācijas tiek nodotas no paaudzes paaudzē.

3. Mutācijas var būt labvēlīgas, kaitīgas vai neitrālas, dominējošas vai recesīvas.

4. Mutāciju noteikšanas varbūtība ir atkarīga no pētīto indivīdu skaita.

5. Līdzīgas mutācijas var notikt atkārtoti.

6. Mutācijas nav vērstas.

Mutācijas var izraisīt dažādi faktori. Atšķirt mutācijas, ko izraisa mutagēns ietekmes: fizikāls (piemēram, ultravioletais vai starojums), ķīmiskais (piemēram, kolhicīns vai reaktīvās skābekļa sugas) un bioloģiskais (piemēram, vīrusi). Var izraisīt arī mutācijas replikācijas kļūdas.

Atkarībā no parādīšanās apstākļiem mutācijas tiek sadalītas spontāni- tas ir, mutācijas, kas radušās normāli apstākļi, Un izraisīts- tas ir, mutācijas, kas radušās īpašos apstākļos.

Mutācijas var rasties ne tikai kodola DNS, bet arī, piemēram, mitohondriju vai plastidu DNS. Attiecīgi mēs varam atšķirt kodolenerģijas Un citoplazmas mutācijas.

Mutāciju rašanās rezultātā bieži var parādīties jaunas alēles. Ja mutanta alēle ignorē parasto alēli, tiek saukta mutācija dominējošs. Ja parastā alēle nomāc mutācijas alēli, tiek saukta mutācija recesīvs. Lielākā daļa mutāciju, kas rada jaunas alēles, ir recesīvas.

Mutācijas izceļas ar efektu adaptīvs, kas palielina organisma pielāgošanās spēju videi, neitrāla kas neietekmē izdzīvošanu kaitīgs kas samazina organismu pielāgošanās spēju vides apstākļiem un nāvējošs izraisot organisma nāvi agrīnās attīstības stadijās.

Atbilstoši sekām izšķir mutācijas, kas noved pie olbaltumvielu funkcijas zudums, mutācijas, kas noved pie rašanās proteīnam ir jauna funkcija, kā arī mutācijas, kas mainīt gēna devu, un attiecīgi no tā sintezētā proteīna deva.

Mutācija var notikt jebkurā ķermeņa šūnā. Ja dzimumšūnā notiek mutācija, to sauc dīgļu(dīgļveida vai ģeneratīva). Šādas mutācijas neparādās organismā, kurā tās parādījās, bet izraisa mutantu parādīšanos pēcnācējos un tiek mantotas, tāpēc tās ir svarīgas ģenētikā un evolūcijā. Ja mutācija notiek jebkurā citā šūnā, to sauc somatisks. Šāda mutācija zināmā mērā var izpausties organismā, kurā tā radusies, piemēram, izraisīt vēža audzēju veidošanos. Tomēr šāda mutācija nav iedzimta un neietekmē pēcnācējus.

Mutācijas var ietekmēt dažāda lieluma genoma daļas. Piešķirt ģenētiskais, hromosomu Un genoma mutācijas.

Gēnu mutācijas

Tiek sauktas mutācijas, kas notiek mērogā, kas ir mazāks par vienu gēnu ģenētiskais, vai punktēts (punktēts). Šādas mutācijas izraisa izmaiņas vienā vai vairākos nukleotīdos secībā. Gēnu mutācijas ietveraizstāšanas, kas noved pie viena nukleotīda aizstāšanas ar citu,svītrojumi izraisot viena nukleotīda zudumu,ievietojumi, kā rezultātā secībai tiek pievienots papildu nukleotīds.


Rīsi. 23.Gēnu (punktu) mutācijas

Saskaņā ar proteīna iedarbības mehānismu gēnu mutācijas iedala:sinonīms, kas (ģenētiskā koda deģenerācijas rezultātā) neizraisa proteīna produkta aminoskābju sastāva izmaiņas,missense mutācijas, kas noved pie vienas aminoskābes aizstāšanas ar citu un var ietekmēt sintezētā proteīna struktūru, lai gan bieži tie ir nenozīmīgi,muļķīgas mutācijas, kas noved pie kodējošā kodona aizstāšanas ar stopkodonu,mutācijas, kas noved pie splicēšanas traucējumi:


Rīsi. 24. Mutāciju shēmas

Arī saskaņā ar proteīna iedarbības mehānismu tiek izolētas mutācijas, kas noved pie rāmja maiņa lasījumi piemēram, ievietošana un svītrošana. Šādas mutācijas, tāpat kā bezjēdzīgas mutācijas, lai gan tās notiek vienā gēna punktā, bieži ietekmē visu proteīna struktūru, kas var izraisīt pilnīgas izmaiņas tā struktūrā.

Rīsi. 29. Hromosoma pirms un pēc dublēšanās

Genomiskās mutācijas

Visbeidzot, genoma mutācijas ietekmēt visu genomu, tas ir, mainās hromosomu skaits. Izšķir poliploīdiju - šūnas ploīdijas palielināšanos un aneuploīdiju, tas ir, hromosomu skaita izmaiņas, piemēram, trisomiju (papildu homologa klātbūtne vienā no hromosomām) un monosomiju (trūkst hromosomu). homologs hromosomā).

Video, kas saistīts ar DNS

DNS REPLIKĀCIJA, RNS KODĒŠANA, PROTEĪNU SINTĒZE

Lasīt:
  1. APUD — SISTĒMA (STRUKTURĀLĀ UN FUNKCIONĀLĀ ORGANIZĀCIJA, BIOLOĢISKĀ NOZĪME NORMĀS UN PATOLOĢIJĀ)
  2. II. Ķirurģiskā dienesta organizācija Krievijā. Galvenie ķirurģisko iestāžu veidi. Ķirurģiskās nodaļas darba organizēšanas principi.
  3. III. Medicīniskā psiholoģija; garīgo traucējumu ārstēšana; psihiatriskās aprūpes organizēšana.
  4. III. Atbilstoši ģenētiskā materiāla izmaiņām mutācijas iedala: gēnu, hromosomu pārkārtošanās, genomiskās.
  5. IV. Pretepidēmijas pretholēras pasākumu organizēšana un īstenošana

Iedzimtību un mainīgumu nodrošina īpaša materiāla substrāta darbība - ģenētiskais aparāts.

Pašreizējā posmā idejas par dabu ļauj atšķirt šādi iedzimtības materiāla strukturālās un funkcionālās organizācijas līmeņi:

gēns;

hromosomu;

genoma.

elementāra struktūra gēnu līmenis organizācija ir gēns. Gēni ir salīdzinoši neatkarīgi viens no otra, tāpēc iespējama diskrēta (atsevišķa) un neatkarīga pārmantošana (Mendeļa trešais likums) un atsevišķu pazīmju izmaiņas (mutācijas).

Eikariotu šūnu gēni atrodas iekšā hromosomas, nodrošinot hromosomu līmenis mantojuma materiāla organizēšana. Gēni vienā hromosomā veido saiknes grupu un parasti tiek pārraidīti kopā. Šis organizācijas līmenis ir nepieciešams nosacījums gēnu saistīšanai un vecāku gēnu pārdalei pēcnācējos seksuālās reprodukcijas laikā (hromosomu un hromatīdu šķērsošana un nejauša novirze uz poliem mejozes laikā).

Viss organisma gēnu kopums funkcionāli uzvedas kā veselums un veido vienotu sistēmu, ko sauc genotips (genoms). Viens un tas pats gēns dažādos genotipos var izpausties dažādos veidos. Genomiskais līmenis organizācija izskaidro gēnu iekšējo un starpalēlisko mijiedarbību, kas atrodas gan vienā, gan dažādās hromosomās.

Termiņš " genoms" nozīmē pilnu šūnas DNS sastāvu, tas ir, visu gēnu un starpgēnu reģionu kopumu.

Cilvēka genoma organizācija(tāpat kā katra eikariotu suga) ir elementu secīga hierarhija:

Nukleotīdi;

Gēni ar starpgēniem reģioniem;

Sarežģīti gēni;

Hromosomu rokas;

Hromosomas;

Haploīds komplekts kopā ar ārpuskodolu DNS.

Piecdesmito gadu sākumā tas tika pierādīts iedzimtības un mainīguma elementāra funkcionālā vienība, kas nosaka iespēju attīstīt kādu konkrētu šūnas vai organisma pazīmi, ir gēns , kam ir noteikta strukturāla un funkcionāla organizācija.

Jēdziena "gēns" evolūcija. Atsevišķa informācija par pazīmju pārmantojamību ir zināma jau ļoti sen, taču to pārnešanas modeļus pirmo reizi ieskicēts G. Mendelis 1865. gadā savā darbā: “Augu hibrīdu eksperimenti”. Laikabiedri viņa atklājumam nepiešķīra nozīmi. Jēdziens "gēns" tajā laikā vēl nepastāvēja, un G. Mendels runāja par "iedzimtām tieksmēm", kas ietvertas dzimumšūnās, kuru būtība nebija zināma.

1900. gadā patstāvīgi G. de Vries (Holande), E. Cermak (Austrija) un K. Correns (Vācija) no jauna atklāja likumus G. Mendelis. Šis gads tiek uzskatīts par ģenētikas kā zinātnes dzimšanas gadu. 1902. gadā T. Boveri, E. Vilsons un D. Setons ierosināja iedzimto faktoru saistību ar hromosomām. 1906. gadā V. Batsons radīja terminu "ģenētika", un 1909. g V. Johansens- "gēns". 1911. gadā T. Morgans un darbinieki formulēja galvenos noteikumus hromosomu teorija iedzimtība.

XX gadsimta sākumā. dominēja ideja par gēnu stabilitāti un nemainīgumu ( A. Veismans, V. Batsons), un, ja notiek izmaiņas ( G. de Vrīss), tad spontāni, neatkarīgi no apkārtējās vides ietekmes. Šis kļūdainais priekšstats tika atspēkots, iegūstot inducētas mutācijas G. A. Nadsons un G. S. Filippovs(1925) par sēnēm, G. Mellers(1927) par Drosophila un I.L. Stadler(1928) par kukurūzu.

Tajā pašā laikā radās ideja par gēna nedalāmību. Tomēr 1950. gadu beigās tika pierādīts, ka gēns ir atsevišķa vienība. Veicot galveno funkciju - programmējot proteīnu sintēzi - gēns darbojas kā neatņemama vienība, kuras maiņa izraisa proteīna molekulas struktūras pārkārtošanos. Benzers sauca šo vienību cistronoms. Pēc izmēra tas ir aptuveni vienāds ar gēnu. Gēna diskrētums slēpjas apakšvienību klātbūtnē tajā. Tiek saukta gēnu variācijas elementārā vienība, mutācijas vienība muton, un rekombinācijas vienība (homoloģisko hromosomu sekciju apmaiņa I mejozes profāzē) ir izlūkošana. Mutona un rekon minimālie izmēri ir vienādi ar vienu nukleotīdu pāri. Pašlaik nukleotīdu pāris tiek uzskatīts par gēna elementāru struktūrvienību, un kodons tiek uzskatīts par funkcionālu vienību.

Pagājušā gadsimta 20. gados tika atklāts, ka hromosomas sastāv no olbaltumvielām un nukleīnskābēm. 1928. gadā N.K. Koļcovs ierosināja, ka gēnu funkcijas veic olbaltumvielu molekulas, un olbaltumvielas spēj pašatvairot. Tomēr vēlāk tika pierādīts, ka ģenētiskās informācijas nesējs ir DNS molekula.

Tādējādi , gēns ir nukleīnskābju (polinukleotīdu) struktūrvienība, kas atbild par ģenētiskās informācijas uzglabāšanu, pārraidi un ieviešanu. zem termina " gēns" var saprast DNS nukleotīdu secību, kas nosaka noteiktu funkciju (morfoloģiskās, fizioloģiskās, bioķīmiskās, imunoloģiskās, klīniskās un jebkura cita diskrētuma vienību) organismā. Gene pārstāv minimālais iedzimtības materiāla daudzums, kas nepieciešams t-RNS, rRNS vai peptīda ar noteiktām īpašībām sintēzei. Saskaņā ar mūsdienu idejām, gēns- Šī ir DNS molekulas sadaļa, kas sniedz informāciju par konkrēta polipeptīda vai nukleīnskābes sintēzi.

Cilvēka genomā ir vairāk nekā 30 000 gēnu. Cilvēka gēnu lielums ir ļoti atšķirīgs, bet lielākā daļa ir līdz 50 000 bāzes pāru. Tiek panākta gēnu pārnese šūnu vai organismu paaudžu sērijā materiālā pēctecība- Iezīmju pārmantošana no vecākiem pēcnācējiem.

Gēnu īpašības. Gēniem ir raksturīgas noteiktas īpašības:

Ø specifiskums (katram strukturālajam gēnam ir sava raksturīga nukleotīdu secība un tas nosaka konkrēta polipeptīda sintēzi),

Ø integritāte (programmējot polipeptīda sintēzi, gēns darbojas kā nedalāma vienība) un diskrētums (apakšvienību klātbūtne),

Ø stabilitāte (salīdzinoši stabila) un labilitāte (spēja mutēt),

Ø pleiotropija (viens gēns var būt atbildīgs par vairāku pazīmju izpausmi),

Ø ekspresivitāte (fenotipiskās izpausmes pakāpe) un penetrance (gēnu ekspresijas biežums).

Gēna kā iedzimtības un mainīguma materiāla funkcionālās vienības galvenās īpašības nosaka tā ķīmiskā organizācija .

Gēna struktūra ir kodonu kopums, kas sastāv no trim nukleotīdiem (tripleta kods). Gēns satur informāciju par proteīna struktūru, un katrs kodons satur informāciju par aminoskābes struktūru un tās atrašanās vietu proteīna molekulā.

Tagad ir zināms, ka gēnam ir komplekss iekšējā struktūra, un atsevišķām sadaļām ir dažādas funkcijas. Gēnā var izdalīt lielāko daļu, kas faktiski nosaka polipeptīda struktūru. Šo daļu sauc par "cistronu", un tās garums var būt desmitiem tūkstošu bāzes pāru. Daži gēni satur vairākus cistronus (policistronus vai strukturālos gēnus). Pētījumi liecina, ka gēna izmērs ir lielāks par polipeptīda izmēru. No tā izriet secinājums, ka gēns satur nukleotīdu sekvences, kas neietekmē polipeptīda struktūru, bet ir nepieciešamas strukturālās daļas (struktūrgēna) pareizai funkcionēšanai. Šī ir gēna (vai gēnu operatora) regulējošā daļa. Operatora gēns kontrolē vairāku cistronu gēnu darbību un atrodas tieši tiem blakus. Strukturālo gēnu grupas un operatora gēna komplekss veido operonu. Izdalīts arī regulatorgēns, kas regulē operona darbību ar speciālas tā ražotas vielas - represora palīdzību. Represors, iedarbojoties uz operatora gēnu, to kavē un samazina ar to saistīto cistronu aktivitāti.

Gēni tiek apvienoti blokos, kas veido DNS virkni. Tajā pašā laikā tie ir sakārtoti lineārā secībā, kas tālāk nosaka DNS un hromosomu pavedienu struktūru.

Pārmantotā materiāla ķīmiskās dabas pētījumi to neapstrīdami ir pierādījuši iedzimtības un mainīguma materiālais substrāts ir nukleīnskābes polimēri, kas sastāv no nukleotīdu monomēri, tostarp trīs komponenti:

Cukurs (pentoze);

slāpekļa bāze.

Starp nukleīnskābes atšķirt divu veidu savienojumi:

dezoksiribonukleīnskābe (DNS);

Ribonukleīnskābe (RNS).

DNS ir iedzimtas informācijas glabātāja visās pro- un eikariotu šūnās (vīrusos šo funkciju var veikt arī RNS molekula); RNS pārraida un īsteno ģenētisko informāciju.

Dezoksiribonukleīnskābe (DNS)- ķīmiski stabilāks komponents, iedzimtības un mainīguma substrāts.

DNS molekulas struktūra ir atšifrēta J. Vatsons, F. Kriks un M. Vilkinss 1953. gadā. Pēc modeļa D. Vatsons un F. Kriks, DNS molekula sastāv no divām stingri fiksētām paralēli viena otrai un savītas dubultā spirālē antiparalēlā (pretēji 3 "vienas ķēdes galam ir 5" otras galam) polinukleotīdu ķēdes, kuru saites veido nukleotīdi.

Pirmkārt, ģenētiskajam materiālam ir jāspēj pašreplicēties reprodukcijas procesā pārraidīt iedzimtu informāciju, uz kuras pamata tiks veikta jaunas paaudzes veidošanās. Otrkārt, lai nodrošinātu raksturlielumu stabilitāti vairākās paaudzēs, iedzimtības materiālam ir jāsaglabā nemainīga organizācija. Treškārt, iedzimtības un mainīguma materiālam ir jāspēj iegūt izmaiņas un tās atražot, padarot iespējamu dzīvās vielas vēsturisko attīstību mainīgos apstākļos. Tikai tad, ja tas atbilst noteiktajām prasībām, materiālais iedzimtības un mainīguma substrāts var nodrošināt dzīvās dabas pastāvēšanas un tās attīstības ilgumu un nepārtrauktību.

Mūsdienu idejas par ģenētiskā aparāta būtību ļauj atšķirt trīs tā organizācijas līmeņus: gēnu, hromosomu un genomu. Katrā no tiem izpaužas iedzimtības un mainīguma materiāla galvenās īpašības un noteikti tā pārnešanas un darbības modeļi.

No nukleīnskābēm izšķir divu veidu savienojumus: dezoksiribonukleīnskābes (DNS) un ribonukleīnskābes (RNS). Pētot galveno iedzimtības materiāla nesēju – hromosomu – sastāvu, noskaidrots, ka to ķīmiski stabilākā sastāvdaļa ir DNS, kas ir iedzimtības un mainīguma substrāts. DNS struktūra. J. Vatsona un F. Krika modele

DNS sastāv no nukleotīdiem, kas ietver cukuru - dezoksiribozi, fosfātu un vienu no slāpekļa bāzēm - purīnu (adenīnu vai guanīnu) vai pirimidīnu (timīnu vai citozīnu).DNS strukturālās organizācijas iezīme ir tāda, ka tās molekulas ietver divas polinukleotīdu ķēdes, kas savstarpēji saistītas noteiktā veidā. veidā. Saskaņā ar trīsdimensiju DNS modeli, ko 1953. gadā ierosināja amerikāņu biofiziķis J. Watson un angļu biofiziķis un ģenētiķis F. Kriks, šīs ķēdes ir savienotas viena ar otru ar ūdeņraža saitēm starp to slāpekļa bāzēm saskaņā ar komplementaritātes principu. Vienas ķēdes adenīnu savieno divas ūdeņraža saites ar citas ķēdes timīnu, un starp dažādu ķēžu guanīnu un citozīnu veidojas trīs ūdeņraža saites. Šāds slāpekļa bāzu savienojums nodrošina spēcīgu savienojumu starp abām ķēdēm un saglabā vienādu attālumu starp tām visā garumā. Galvenā funkcija DNS slēpjas faktā, ka tā ir paredzēta iedzimtas informācijas uzglabāšanai un pārsūtīšanai pro- un eikariotu šūnās. Vīrusos šo funkciju veic RNS.NA. DNS struktūra un struktūra. DNS īpašības.

1. Stabilitāte. To nodrošina ūdeņraža, glikozīdu un fosfodiesteru saites, kā arī spontānu un izraisītu bojājumu labošanas mehānisms;



2. Spēja replicēt. Pateicoties šim mehānismam, somatiskajās šūnās tiek saglabāts diploīds hromosomu skaits. Shematiski visas uzskaitītās DNS kā ģenētiskās molekulas pazīmes ir parādītas attēlā.

3. Ģenētiskā koda klātbūtne. Bāzes secība DNS tiek pārveidota transkripcijas un translācijas procesos aminoskābju secībā polipeptīdu ķēdē;
4. Spēja veikt ģenētisko rekombināciju. Pateicoties šim mehānismam, veidojas jaunas saistītu gēnu kombinācijas.

Remonts- īpaša šūnu funkcija, kas sastāv no spējas koriģēt ķīmiskos bojājumus un pārrāvumus DNS molekulās, kas bojātas normālas DNS biosintēzes laikā šūnā vai fizikālu vai ķīmisku faktoru iedarbības rezultātā. To veic īpašas šūnas enzīmu sistēmas. Vairākas iedzimtas slimības (piemēram, pigmenta kseroderma) ir saistītas ar traucētu labošanas sistēmu darbību.

DNS replikācija- dezoksiribonukleīnskābes meitas molekulas sintēzes process uz sākotnējās DNS molekulas matricas. Turpmākās mātes šūnas dalīšanas laikā katra meitas šūna saņem vienu DNS molekulas kopiju, kas ir identiska sākotnējās mātes šūnas DNS. Šis process nodrošina precīzu ģenētiskās informācijas nodošanu no paaudzes paaudzē. DNS replikāciju veic komplekss enzīmu komplekss, kas sastāv no 15-20 dažādiem proteīniem, ko sauc par replisomu.

Ģenētiskais kods- tas ir ieraksts unikālajos DNS molekulas reģionos ar informāciju par proteīnu un polipeptīdu struktūru. Kriks un viņa kolēģi ierosināja, ka informācija ir jāizsaka caur blokiem - kodoniem. Viņi ierosināja, ka kodonos jāiekļauj vismaz 3 nukleotīdi. Kāpēc Dabā ir atrastas 20 dažādas aminoskābes, no kurām tiek komplektētas visas olbaltumvielas. Lai kodētu 20 aminoskābju variantus, ģenētiskajā kodā jāietver vismaz 3 nukleotīdi, jo no diviem nukleotīdiem var apvienot tikai 4 = 16 iespējas, un no trim nukleotīdiem - 43 = 64 iespējas .. Pilnīga ģenētiskā koda atšifrēšana tika veikta XX gadsimta 60. gados. Izrādījās, ka no 64 iespējamajiem tripletu variantiem 61 kodē dažādas aminoskābes, un 3 ir bezjēdzīgi jeb STOP kodoni: UAG, UAA, UGA kodoni, uz kuriem apstājas iedzimtās informācijas nolasīšana (4.6. att.).

Ģenētiskā koda īpašības

1. Trīskāršība: katrs kodons ietver 3 nukleotīdus^

2. Universitāte: visiem dzīvajiem organismiem, kas eksistē uz Zemes, ir viens un tas pats ģenētiskais kods, kas norāda uz visu dzīvo būtņu izcelsmes vienotību. AGA kodons kodē aminoskābi arginīnu baktērijās, cilvēkos un visās dzīvajās būtnēs.

3. Deģenerācija; 61 triplets uz 20 aminoskābēm. No tā izriet, ka dažas aminoskābes ir jāšifrē ar vairākiem tripletiem. Tas ir ļoti svarīgi, jo nukleotīdu aizstāšana ne vienmēr var izraisīt aminoskābju aizstāšanu). Piemēram, aminoskābi valīnu kodē trīs tripleti: GTT, GTC, GTA, GTG.

4. Specifiskums: katrs triplets atbilst tikai 1 aminoskābei: tikai GTT valīns. ATG kodons ir sākuma kodons (metionīns).

5. Universitāte: visiem dzīvajiem organismiem, kas eksistē uz Zemes, ir viens un tas pats ģenētiskais kods, kas norāda uz visu dzīvo būtņu izcelsmes vienotību. AGA kodons kodē aminoskābi arginīnu baktērijās, cilvēkos un visās dzīvajās būtnēs.

6. ^ Nepārtrauktība un nepārklāšanās (lasīt bez atstarpēm).

Matrica jeb informācija, RNS (mRNS vai mRNS). Transkripcija. Lai sintezētu olbaltumvielas ar vēlamajām īpašībām, uz to uzbūves vietu tiek nosūtīta “instrukcija” secībā, kādā aminoskābes tiek iekļautas peptīdu ķēdē. Šī instrukcija ir ietverta matricas vai informācijas RNS (mRNS, mRNS) nukleotīdu secībā, kas sintezēta attiecīgajās DNS sadaļās. MRNS sintēzes procesu sauc par transkripciju. MRNS sintēze sākas ar to, ka RNS polimerāze atklāj īpašu vietu DNS molekulā, kas norāda uz transkripcijas sākuma vietu - promotoru. Pēc pievienošanās promotoram RNS polimerāze atritina blakus esošo DNS spirāles pagriezienu. Šajā brīdī atšķiras divas DNS virknes, un vienā no tām ferments sintezē mRNS. Ribonukleotīdu salikšana ķēdē notiek atbilstoši to komplementaritātei ar DNS nukleotīdiem, kā arī antiparalēli veidnes DNS ķēdei. Tā kā RNS polimerāze spēj salikt polinukleotīdu tikai no 5' gala līdz 3' galam, tikai viena no divām DNS virknēm var kalpot par transkripcijas veidni, proti, tā, kas ir vērsta pret fermentu ar tā 3. ' gals ( 3" → 5"). Šādu ķēdi sauc par kodogēno. Divu polinukleotīdu ķēžu savienojuma antiparalēlisms DNS molekulā ļauj RNS polimerāzei pareizi atlasīt veidni mRNS sintēzei.

Pārvietojoties pa kodogēno DNS ķēdi, RNS polimerāze veic pakāpenisku, precīzu informācijas pārrakstīšanu, līdz tā saskaras ar īpašu nukleotīdu secību - transkripcijas terminatoru. Šajā reģionā RNS polimerāze atdalās gan no DNS veidnes, gan no jauna sintezētās mRNS (3.25. att.). DNS molekulas fragments, kas ietver promotoru, transkribētu secību un terminatoru, veido transkripcijas vienību - transkriptu.

Sintēzes procesā, RNS polimerāzei pārvietojoties pa DNS molekulu, vienas virknes DNS sekcijas, kurām tā ir izgājusi, atkal tiek apvienotas dubultā spirālē. Transkripcijas laikā izveidotā mRNS satur precīzu informācijas kopiju, kas ierakstīta attiecīgajā DNS sadaļā. Trīs blakus esošie mRNS nukleotīdi, kas kodē aminoskābes, tiek saukti par kodoniem. MRNS kodona secība kodē peptīdu ķēdes aminoskābju secību. MRNS kodoni atbilst noteiktām aminoskābēm. MRNS transkripcijas veidne ir kodogēnā DNS ķēde, kas vērsta pret fermentu ar tās 3 "galu I - promotora reģiona noteikšana DNS molekulā un DNS spirāles attīšana; II - iniciācija RNS ķēdes sintēze, saistot pirmos divus ribonukleozīdu grifosfātus; III - RNS ķēžu pagarināšana virzienā 5 " → 3", pievienojot ribonukleozīdu grifosfātus; IV - sintezētās RNS 5" gala atbrīvošana un DNS dubultā atjaunošana spirāle; V - RNS sintēzes beigas terminatora reģionā, polimerāzes atdalīšana no pabeigtās RNS ķēdes

^ Pārnest RNS (tRNS). Raidījums. Svarīga loma procesā, kad šūna izmanto iedzimtu informāciju, tā pieder RNS (tRNS) pārnešanai. Nogādājot nepieciešamās aminoskābes uz peptīdu ķēžu salikšanas vietu, tRNS darbojas kā translācijas starpnieks.TRNS molekulas ir polinukleotīdu ķēdes, kas sintezētas uz noteiktām DNS sekvencēm. Tie sastāv no salīdzinoši neliela skaita nukleotīdu -75-95. Dažādās tRNS polinukleotīdu ķēdes daļās izvietoto bāzu komplementārā savienojuma rezultātā iegūst āboliņa lapu pēc formas atgādinošu struktūru, kurai ir četras galvenās daļas, kas pilda dažādas funkcijas. Akceptora "stublāju" veido divas savstarpēji savienotas tRNS gala daļas. Tas sastāv no septiņiem bāzes pāriem. Šī kāta 3" gals ir nedaudz garāks un veido vienpavedienu reģionu, kas beidzas CCA secībā ar brīvu OH grupu. Šim galam ir pievienota transportējama aminoskābe. Atlikušās trīs zari ir komplementāri pārī savienotas nukleotīdu sekvences, kas beidzas nepāra cilpu veidojošos reģionos. Šo zaru vidusdaļa - antikodons - sastāv no pieciem nukleotīdu pāriem un satur antikodonu tās cilpas centrā. Antikodons ir trīs nukleotīdi, kas komplementāri mRNS kodonam, kas kodē aminoskābi tRNS transportē uz peptīdu sintēzes vietu.

Starp akceptora un antikodona zariem ir divi sānu zari. Savās cilpās tie satur modificētas bāzes - dihidrouridīnu (D-cilpa) un TψC tripletu, kur \y ir pseidouriaīns (T^C-cilpa). Starp aitikodona un T^C zariem ir papildu cilpa, kas ietver no 3-5 līdz 13-21 nukleotīdu. Dažādi tRNS raksturo noteikta nukleotīdu secības noturība, kas visbiežāk sastāv no 76 nukleotīdiem. To skaita izmaiņas galvenokārt ir saistītas ar nukleotīdu skaita izmaiņām papildu cilpā. Papildu reģioni, kas atbalsta tRNS struktūru, parasti tiek saglabāti. tRNS primārā struktūra, ko nosaka nukleotīdu secība, veido tRNS sekundāro struktūru, kurai ir āboliņa lapas forma. Savukārt sekundārā struktūra izraisa trīsdimensiju terciāro struktūru, kurai raksturīga divu perpendikulāru dubultspirāles veidošanās (3.27. att.). Vienu no tiem veido akceptora un TψC zari, otru - antikodons un D zari.

Vienas dubultspirāles galā atrodas transportētā aminoskābe, otras galā ir antikodons. Šīs teritorijas atrodas visattālāk viena no otras. tRNS terciārās struktūras stabilitāte tiek saglabāta, pateicoties papildu ūdeņraža saitēm starp polinukleotīdu ķēdes bāzēm, kas atrodas dažādās tās daļās, bet terciārajā struktūrā ir telpiski tuvu.

Dažādiem tRNS veidiem ir līdzīga terciārā struktūra, lai gan ar dažām variācijām.

^ I - tRNS sekundārā struktūra "āboliņa lapas" formā, ko nosaka tās primārā struktūra (nukleotīdu secība ķēdē);

II - tRNS terciārās struktūras divdimensiju projekcija;

III - tRNS molekulas izkārtojums telpā

Viena no tRNS iezīmēm ir neparastu bāzu klātbūtne tajā, kas rodas no ķīmiskā modifikācija pēc normālas bāzes iekļaušanas polinukleotīdu ķēdē. Šīs izmainītās bāzes nosaka tRNS lielo strukturālo daudzveidību to struktūras vispārējā plānā. Vislielāko interesi rada antikodonu veidojošo bāzu modifikācijas, kas ietekmē tā mijiedarbības ar kodonu specifiku. Piemēram, netipiskais bāzes inozīns, kas dažkārt atrodas tRNS antikodona 1. pozīcijā, spēj komplementāri kombinēties ar trim dažādām mRNS kodona trešajām bāzēm - U, C un A (3.28. att.). Tā kā viena no ģenētiskā koda iezīmēm ir tā deģenerācija, daudzas aminoskābes tiek šifrētas ar vairākiem kodoniem, kas, kā likums, atšķiras ar savu trešo bāzi. Modificētās antikodona bāzes nespecifiskās saistīšanās dēļ viena tRNS atpazīst vairākus sinonīmus kodonus.

Ir konstatēts arī vairāku veidu tRNS, kas spēj saistīties ar vienu un to pašu kodonu. Rezultātā šūnu citoplazmā tiek atrastas nevis 61 (pēc kodonu skaita), bet aptuveni 40 dažādas tRNS molekulas. Šis daudzums ir pietiekams, lai transportētu 20 dažādas aminoskābes uz olbaltumvielu montāžas vietu.

Līdzās noteikta kodona precīzas atpazīšanas funkcijai mRNS, tRNS molekula piegādā stingri noteiktu aminoskābi, kas šifrēta ar šo kodonu, peptīdu ķēdes sintēzes vietā. tRNS specifiskā saistība ar "tās" aminoskābi notiek divos posmos un noved pie savienojuma veidošanās, ko sauc par aminoacil-tRNS. Pirmajā posmā aminoskābe tiek aktivizēta, mijiedarbojoties ar tās karboksilgrupu ar ATP. Tā rezultātā veidojas adipilēta aminoskābe. Otrajā posmā šis savienojums mijiedarbojas ar OH grupu, kas atrodas atbilstošās tRNS 3 "galā, un aminoskābe pievieno tai savu karboksilgrupu, atbrīvojot AMP. Tādējādi šis process notiek ar enerģijas patēriņu, kas iegūts ATP hidrolīze par AMP Aminoskābes un tRNS, kas nes atbilstošo antikodonu, kombinācijas specifika tiek panākta, pateicoties enzīma aminoacil-tRNS sintetāzes īpašībām. Citoplazmā ir vesels kopums tādu enzīmu, kas ir spējīgs uz -

telpiskā atpazīšana, no vienas puses, tās aminoskābe un, no otras puses, tai atbilstošā tRNS antikodona Pirmkārt, enzīms aminoacil-tRNS sintetāze nodrošina tRNS savienojumu ar aminoskābi, ko tā transportē. Pēc tam aminoacil-tRNS komplementāri savienojas ar mRNS, izmantojot antikodona un kodona mijiedarbību. Ar tRNS sistēmas palīdzību mRNS nukleotīdu ķēdes valoda. pārtulkota peptīda ribosomu RNS (rRNS) aminoskābju secības valodā. Olbaltumvielu sintēzes ribosomu cikls. MRNS un tRNS mijiedarbības process, kas nodrošina informācijas tulkošanu no nukleotīdu valodas aminoskābju valodā, tiek veikts uz ribosomām.Pēdējās ir sarežģīti rRNS un dažādu proteīnu kompleksi, kuros pirmās veido karkasu. . Ribosomu RNS ir ne tikai strukturālā sastāvdaļa ribosomas, bet arī nodrošina to saistīšanos ar noteiktu mRNS nukleotīdu secību. Tas nosaka sākuma un nolasīšanas rāmi peptīdu ķēdes veidošanai. Turklāt tie nodrošina mijiedarbību starp ribosomu un tRNS. Daudzi proteīni, kas veido ribosomas, kopā ar rRNS pilda gan strukturālas, gan enzīmu funkcijas.Pro- un eikariotu ribosomas ir ļoti līdzīgas pēc struktūras un funkcijas. Tās sastāv no divām apakšdaļiņām: lielām un mazām. Eikariotos mazo apakšvienību veido viena rRNS molekula un 33 dažādas olbaltumvielu molekulas. Lielā apakšvienība apvieno trīs rRNS molekulas un apmēram 40 proteīnus. Prokariotu ribosomas un mitohondriju un plastīdu ribosomas satur mazāk komponentu.Ribosomām ir divas rievas. Viens no tiem satur augošo polipeptīdu ķēdi, otrs - mRNS. Turklāt ribosomās ir izolētas divas tRNS saistošas ​​vietas. Aminoacil-tRNS atrodas aminoacilā, A vietā, nesot īpašu aminoskābi. Peptīda, P-sekcijā parasti atrodas tRNS, kas ir noslogota ar aminoskābju ķēdi, kas savienota ar peptīdu saitēm. A- un P-vietņu veidošanos nodrošina abas ribosomas apakšvienības.Katrā brīdī ribosoma aizsargā mRNS segmentu aptuveni 30 nukleotīdu garumā. Tas nodrošina tikai divu tRNS mijiedarbību ar diviem blakus esošiem mRNS kodoniem.Informācijas tulkošana aminoskābju "valodā" izpaužas pakāpeniskā peptīdu ķēdes veidošanā saskaņā ar mRNS ietvertajām instrukcijām. Šis process notiek ribosomās, kas nodrošina informācijas atšifrēšanas secību, izmantojot tRNS. Tulkošanas laikā var izdalīt trīs fāzes: peptīdu ķēdes sintēzes uzsākšanu, pagarināšanu un pārtraukšanu.

^ Iniciācijas fāze jeb peptīdu sintēzes sākums sastāv no divu ribosomas apakšdaļiņu apvienošanas, kas iepriekš citoplazmā bija atdalītas noteiktā mRNS vietā, un tai pievieno pirmo aminoacil-tRNS. Tas arī nosaka ietvaru mRNS ietvertās informācijas nolasīšanai. Jebkuras mRNS molekulā, netālu no tās 5" gala, ir vieta, kas ir komplementāra ar ribosomas mazās apakšvienības rRNS un ko tā īpaši atpazīst. Tālāk tai ir iniciējošais starta kodons AUT, kas kodē aminoskābi metionīnu.Ribosomas mazā apakšvienība ir saistīta ar mRNS tā, ka sākuma kodons OUT atrodas P-vietai atbilstošajā reģionā.Šajā gadījumā , tikai iniciējošā tRNS, kas nes metionīnu, spēj ieņemt vietu mazās apakšvienības nepabeigtajā P vietā un komplementāri savienoties ar starta kodonu.Pēc aprakstītā notikuma ribosomas lielās un mazās apakšdaļiņas ar tās peptidila veidošanos. un aminoacila sekcijas

^ I - ribosomas mazās subchapshchy savienojums ar mRNS, piesaiste metionīnu nesošās tRNS starta kodonam, kas atrodas nepabeigtajā P vietā; II - lielo un mazo ribosomas apakšdaļiņu savienojums ar P- un A-vietu veidošanos; nākamais posms ir saistīts ar tajā izvietotajam mRNS kodonam atbilstošās aminoacil-tRNS izvietošanu A-vietā, pagarinājuma sākumu; ak - aminoskābe Iniciācijas fāzes beigās P-vietu aizņem aminoacil-tRNS, kas saistīta ar metionīnu, savukārt ribosomas A vietā atrodas kodons, kas seko starta kodonam. Pabeidzot iniciācijas fāzi un veidojoties ribosomu – mRNS – iniciējošajam aminoacil-tRNS kompleksam, šie faktori tiek atdalīti no ribosomas Pagarinājuma fāze jeb peptīdu pagarināšanās ietver visas reakcijas no brīža, kad veidojas pirmā peptīdu saite pēdējās aminoskābes piesaiste. Tas ir cikliski atkārtots notikums, kurā notiek specifiska nākamā kodona aminoacil-tRNS atpazīšana, kas atrodas A vietā, komplementāra mijiedarbība starp antikodonu un kodonu.

Sakarā ar tRNS trīsdimensiju organizācijas īpatnībām. kad tā antikodons ir savienots ar mRNS kodonu. ar to transportētā aminoskābe atrodas A vietā, iepriekš iekļautās aminoskābes, kas atrodas P vietā, tuvumā. Peptīdu saite veidojas starp divām aminoskābēm, ko katalizē īpaši proteīni, kas veido ribosomu. Rezultātā iepriekšējā aminoskābe zaudē savienojumu ar savu tRNS un pievienojas aminoacil-tRNS, kas atrodas A vietā. tRNS, kas šajā brīdī atrodas P vietā, tiek atbrīvota un nonāk citoplazmā.Ar peptīdu ķēdi noslogotās tRNS pārvietošanos no A vietas uz P vietu pavada ribosomas virzīšanās pa mRNS. ar soli, kas atbilst vienam kodonam. Tagad nākamais kodons nonāk saskarē ar A vietu, kur to īpaši "atpazīs" atbilstošā aminoacil-tRNS, kas tur ievietos savu aminoskābi. Šī notikumu secība tiek atkārtota, līdz ribosomas A-vieta saņem terminatora kodonu, kuram nav atbilstošas ​​tRNS.Peptīdu ķēdes montāža tiek veikta pietiekami lielā ātrumā, atkarībā no temperatūras. Baktērijās 37 °C temperatūrā to izsaka kā 12 līdz 17 aminoskābju pievienošanu subdipeptīdam 1 s. Eikariotu šūnās šis ātrums ir mazāks un tiek izteikts kā divu aminoskābju pievienošana 1 sekundē.

^ Terminācijas fāze jeb polipeptīdu sintēzes pabeigšana ir saistīta ar kāda no terminācijas kodoniem (UAA, UAG vai UGA) noteikta ribosomu proteīna atpazīšanu, kad tas nonāk ribosomas A vietas zonā. Šajā gadījumā ūdens tiek pievienots pēdējai aminoskābei peptīdu ķēdē, un tā karboksilgals tiek atdalīts no tRNS. Tā rezultātā pabeigtā peptīdu ķēde zaudē savienojumu ar ribosomu, kas sadalās divās apakšdaļiņās.

Iedzimtības mainīgums. 1-2 Mendeļa likums

pastāvēšanas nepārtrauktība un vēsturiskā attīstība savvaļas dzīvnieki ir saistīti ar divām dzīvības pamatīpašībām: iedzimtība un variācijas.

Šūnu un organisma (ontoģenētiskajā) dzīvo būtņu organizācijas līmenī iedzimtība tiek saprasta kā šūnu vai organismu īpašība pašvairošanās procesā nodot jaunai paaudzei spēju uz noteikta veida vielmaiņu un individuālā attīstība, kuras laikā tie veido kopīgas iezīmes un īpašības noteiktam šūnu tipam un organismu tipam, kā arī dažiem individuālās īpašības vecākiem. Dzīvās dabas turpmāka pastāvēšana laikā uz mainīgu apstākļu fona būtu neiespējama, ja dzīvajām sistēmām nebūtu iespējas iegūt un uzturēt noteiktas izmaiņas, kas ir noderīgas jaunos vides apstākļos. Dzīvo sistēmu īpašību iegūt izmaiņas un pastāvēt dažādos variantos sauc par mainīgumu.

60. gados. 19. gadsimts ģenētikas (iedzimtības un mainīguma zinātnes) dibinātājs G. Mendels (1865) izdarīja pirmos pieņēmumus par mantojuma materiāla organizāciju. Pamatojoties uz viņa eksperimentu rezultātiem ar zirņiem, viņš nonāca pie secinājuma, ka iedzimtais materiāls ir diskrēts, t.i. ko pārstāv individuālas iedzimtas tieksmes, kas ir atbildīgas par noteiktu organismu īpašību attīstību. Pēc Mendela domām, seksuāli vairojošos organismu iedzimtības materiālā vienas pazīmes attīstību nodrošina alēļu tieksmju pāris, kas nāca ar dzimumšūnām no abiem vecākiem. Gametu veidošanās laikā katrā no tām nonāk tikai viens no alēļu slīpumu pāra, tāpēc gametas vienmēr ir “tīras”. 1909. gadā V. Johansens Mendeļa "iedzimtās tieksmes" nosauca par gēniem.

Tikai viena no vecākiem Mendela iezīmes izpausmi hibrīdos sauca par dominējošo stāvokli.

Krustojot organismus, kas atšķiras ar vienu kontrastējošu pazīmju pāri, par kuriem ir atbildīgas viena gēna alēles, pirmās paaudzes hibrīdu fenotips un genotips ir vienāds. Pēc fenotipa visiem pirmās paaudzes hibrīdiem ir raksturīga dominējoša iezīme, pēc genotipa visi pirmās paaudzes hibrīdi ir heterozigoti

Nukleīnskābes ir lielmolekulāras vielas, kas sastāv no mononukleotīdiem, kas ir savienoti viens ar otru polimēra ķēdē, izmantojot 3",5" - fosfodiestera saites un noteiktā veidā iepakotas šūnās.

Nukleīnskābes ir divu veidu biopolimēri: ribonukleīnskābe (RNS) un dezoksiribonukleīnskābe (DNS). Katrs biopolimērs sastāv no nukleotīdiem, kas atšķiras pēc ogļhidrātu atlikuma (ribozes, dezoksiribozes) un vienas no slāpekļa bāzēm (uracils, timīns). Attiecīgi nukleīnskābes ieguva savu nosaukumu.

Dezoksiribonukleīnskābes struktūra

Nukleīnskābēm ir primārā, sekundārā un terciārā struktūra.

DNS primārā struktūra

DNS primārā struktūra ir lineāra polinukleotīdu ķēde, kurā mononukleotīdi ir savienoti ar 3", 5" fosfodiestera saitēm. Izejmateriāls nukleīnskābes ķēdes montāžai šūnā ir nukleozīda 5'-trifosfāts, kas fosforskābes β un γ atlikumu noņemšanas rezultātā spēj piesaistīt cita nukleozīda 3'-oglekļa atomu. . Tādējādi vienas dezoksiribozes 3" oglekļa atoms kovalenti saistās ar citas dezoksiribozes 5" oglekļa atomu caur vienu fosforskābes atlikumu un veido lineāru nukleīnskābes polinukleotīdu ķēdi. Līdz ar to nosaukums: 3", 5"-fosfodiestera saites. Slāpekļa bāzes nepiedalās vienas ķēdes nukleotīdu savienošanā (1. att.).

Šāds savienojums starp viena nukleotīda fosforskābes molekulu un otra ogļhidrātu noved pie polinukleotīda molekulas pentozes-fosfāta mugurkaula veidošanās, uz kura no sāniem vienu pēc otras tiek pievienotas slāpekļa bāzes. To secība nukleīnskābju molekulu ķēdēs ir stingri specifiska dažādu organismu šūnām, t.i. ir specifisks raksturs (Čargafa noteikums).

Lineārai DNS ķēdei, kuras garums ir atkarīgs no ķēdē iekļauto nukleotīdu skaita, ir divi gali: vienu sauc par 3 "galu un tajā ir brīva hidroksilgrupa, bet otrs, 5" gals, satur fosforskābi. atlikumu. Ķēde ir polāra un var būt 5"->3" un 3"->5". Izņēmums ir apļveida DNS.

DNS ģenētisko "tekstu" veido koda "vārdi" - nukleotīdu tripleti, ko sauc par kodoniem. DNS segmentus, kas satur informāciju par visu veidu RNS primāro struktūru, sauc par strukturālajiem gēniem.

Polinukleodītiskās DNS ķēdes sasniedz milzīgus izmērus, tāpēc šūnā tās ir iesaiņotas noteiktā veidā.

Pētot DNS sastāvu, Chargaff (1949) konstatēja svarīgas likumsakarības attiecībā uz atsevišķu DNS bāzu saturu. Viņi palīdzēja atklāt DNS sekundāro struktūru. Šos modeļus sauc par Chargaff noteikumiem.

Chargaff noteikumi

  1. purīna nukleotīdu summa ir vienāda ar pirimidīna nukleotīdu summu, t.i., A + G / C + T \u003d 1
  2. adenīna saturs ir vienāds ar timīna saturu (A = T vai A / T = 1);
  3. guanīna saturs ir vienāds ar citozīna saturu (G = C vai G/C = 1);
  4. 6-aminogrupu skaits ir vienāds ar DNS ietverto bāzu 6-keto grupu skaitu: G + T = A + C;
  5. mainīga ir tikai A + T un G + C summa Ja A + T > G-C, tad tas ir DNS AT tips; ja G + C > A + T, tad šis ir DNS GC tips.

Šie noteikumi saka, ka, veidojot DNS, ir jāievēro diezgan stingra atbilstība (sairošana) nevis purīna un pirimidīna bāzēm kopumā, bet gan īpaši timīnam ar adenīnu un citozīnam ar guanīnu.

Pamatojoties uz šiem noteikumiem, cita starpā, 1953. gadā Vatsons un Kriks ierosināja DNS sekundārās struktūras modeli, ko sauc par dubulto spirāli (Zīm.).

DNS sekundārā struktūra

DNS sekundārā struktūra ir dubultspirāle, kuras modeli 1953. gadā ierosināja D. Vatsons un F. Kriks.

DNS modeļa izveides priekšnosacījumi

Rezultātā sākotnējās analīzes ideja bija tāda, ka jebkuras izcelsmes DNS satur visus četrus nukleotīdus vienādos molāros daudzumos. Taču 20. gadsimta 40. gados E. Čargafs un viņa kolēģi no dažādiem organismiem izolētas DNS analīzes rezultātā skaidri parādīja, ka slāpekļa bāzes tajos ir dažādās kvantitatīvās attiecībās. Chargaff atklāja, ka, lai gan šīs attiecības ir vienādas DNS no visām vienas sugas šūnām, DNS no dažādi veidi var ievērojami atšķirties noteiktu nukleotīdu saturā. Tas liecināja, ka atšķirības slāpekļa bāzu attiecībās varētu būt saistītas ar kādu bioloģisko kodu. Lai gan atsevišķo purīna un pirimidīna bāzu attiecība dažādos DNS paraugos izrādījās nevienlīdzīga, salīdzinot analīžu rezultātus, atklājās noteikta shēma: visos paraugos purīnu kopējais daudzums bija vienāds ar kopējo pirimidīnu daudzumu. (A + G = T + C), adenīna daudzums bija vienāds ar timīna daudzumu (A = T), bet guanīna daudzums - citozīna daudzumu (G = C). DNS, kas izolēta no zīdītāju šūnām, parasti bija bagātāka ar adenīnu un timīnu un salīdzinoši nabadzīgāka ar guanīnu un citozīnu, savukārt baktēriju DNS bija bagātāka ar guanīnu un citozīnu un salīdzinoši nabadzīgāka ar adenīnu un timīnu. Šie dati veidoja būtisku daļu no faktiskā materiāla, uz kura pamata vēlāk tika izveidots Vatsona-Krika DNS struktūras modelis.

Vēl viena svarīga netieša norāde uz iespējamo DNS struktūru bija L. Paulinga dati par olbaltumvielu molekulu uzbūvi. Paulings parādīja, ka proteīna molekulā ir iespējamas vairākas dažādas stabilas aminoskābju ķēdes konfigurācijas. Viena no izplatītākajām peptīdu ķēdes konfigurācijām - α-spirāle - ir regulāra spirālveida struktūra. Ar šādu struktūru ir iespējama ūdeņraža saišu veidošanās starp aminoskābēm, kas atrodas blakus esošajos ķēdes pagriezienos. Polings aprakstīja polipeptīdu ķēdes α-spirālveida konfigurāciju 1950. gadā un ierosināja, ka arī DNS molekulām, iespējams, ir spirālveida struktūra, kas fiksēta ar ūdeņraža saitēm.

Taču visvērtīgāko informāciju par DNS molekulas uzbūvi sniedza rentgenstaru difrakcijas analīzes rezultāti. Rentgenstari, kas iziet cauri DNS kristālam, tiek pakļauti difrakcijai, tas ir, tie tiek novirzīti noteiktos virzienos. Staru novirzes pakāpe un raksturs ir atkarīgs no pašu molekulu struktūras. Rentgenstaru difrakcijas modelis (3. att.) sniedz pieredzējušai acij vairākas netiešas norādes par pētāmās vielas molekulu struktūru. DNS rentgenstaru difrakcijas modeļu analīze ļāva secināt, ka slāpekļa bāzes (ar plakanu formu) ir sakrautas kā plākšņu kaudze. Rentgenstaru modeļi ļāva identificēt trīs galvenos periodus kristāliskās DNS struktūrā: 0,34, 2 un 3,4 nm.

Vatsona-Krick DNS modelis

Sākot no Čārgafa analītiskajiem datiem, Vilkinsa rentgena stariem un ķīmiķiem, kuri sniedza informāciju par precīzu attālumu starp atomiem molekulā, par leņķiem starp noteiktā atoma saitēm un par atomu lielumu, Vatsons un Kriks sāka izveidot DNS molekulas atsevišķo komponentu fiziskos modeļus noteiktā mērogā un "pielāgot" tos viens otram tā, lai iegūtā sistēma atbilstu dažādiem eksperimentāliem datiem. [rādīt] .

Pat agrāk bija zināms, ka blakus esošie nukleotīdi DNS ķēdē ir savienoti ar fosfodiestera tiltiem, kas savieno viena nukleotīda dezoksiribozes 5'-oglekļa atomu ar nākamā nukleotīda dezoksiribozes 3'-oglekļa atomu. Vatsonam un Krikam nebija šaubu, ka 0,34 nm periods atbilst attālumam starp secīgiem nukleotīdiem DNS virknē. Turklāt varētu pieņemt, ka 2 nm periods atbilst ķēdes biezumam. Un, lai izskaidrotu, kāda reālā struktūra atbilst 3,4 nm periodam, Vatsons un Kriks, kā arī Polings agrāk pieņēma, ka ķēde ir savīta spirāles formā (vai, precīzāk, veido spirāli, jo spirāle šī vārda tiešā nozīmē tiek iegūts, kad pagriezieni telpā veido konisku, nevis cilindrisku virsmu). Tad periods 3,4 nm atbildīs attālumam starp šīs spirāles secīgiem pagriezieniem. Šāda spirāle var būt ļoti blīva vai nedaudz izstiepta, t.i., tās pagriezieni var būt plakani vai stāvi. Tā kā 3,4 nm periods ir tieši 10 reizes lielāks par attālumu starp secīgiem nukleotīdiem (0,34 nm), ir skaidrs, ka katrs pilns spirāles pagrieziens satur 10 nukleotīdus. No šiem datiem Vatsons un Kriks spēja aprēķināt polinukleotīdu ķēdes blīvumu, kas savīti spirālē ar diametru 2 nm, ar attālumu starp pagriezieniem 3, 4 nm. Izrādījās, ka šādas virknes blīvums būtu uz pusi mazāks nekā faktiskais DNS blīvums, kas jau bija zināms. Man bija jāpieņem, ka DNS molekula sastāv no divām ķēdēm – ka tā ir nukleotīdu dubultspirāle.

Nākamais uzdevums, protams, bija noskaidrot telpiskās attiecības starp diviem pavedieniem, kas veido dubulto spirāli. Izmēģinājuši vairākus ķēžu izvietojuma variantus savā fiziskajā modelī, Vatsons un Kriks atklāja, ka visiem pieejamajiem datiem vislabāk atbilst tāda, kurā divas polinukleotīdu spirāles iet pretējos virzienos; šajā gadījumā ķēdes, kas sastāv no cukura un fosfātu atlikumiem, veido dubultās spirāles virsmu, un iekšpusē atrodas purīni un pirimidīni. Bāzes, kas atrodas viena pret otru un pieder pie divām ķēdēm, ir savienotas pa pāriem ar ūdeņraža saitēm; tieši šīs ūdeņraža saites satur ķēdes kopā, tādējādi fiksējot kopējo molekulas konfigurāciju.

DNS dubulto spirāli var uzskatīt par spirālveida virvju kāpnēm, kuru pakāpieni paliek horizontāli. Tad divas garenvirziena virves atbildīs cukura un fosfāta atlieku ķēdēm, bet šķērsstieņi – slāpekļa bāzu pāriem, kas savienoti ar ūdeņraža saitēm.

Iespējamo modeļu turpmākās izpētes rezultātā Vatsons un Kriks nonāca pie secinājuma, ka katram "šķērsstienim" jāsastāv no viena purīna un viena pirimidīna; 2 nm periodā (kas atbilst dubultās spirāles diametram) diviem purīniem nepietiktu vietas, un abi pirimidīni nevarētu atrasties pietiekami tuvu viens otram, lai veidotu pareizas ūdeņraža saites. Detalizētā modeļa padziļināta izpēte parādīja, ka adenīnu un citozīnu, kas veido pareizā izmēra kombināciju, joprojām nevarēja sakārtot tā, lai starp tiem veidotos ūdeņraža saites. Līdzīgi ziņojumi arī lika izslēgt guanīna-timīna kombināciju, savukārt adenīna-timīna un guanīna-citozīna kombinācijas tika atzītas par diezgan pieņemamām. Ūdeņraža saišu raksturs ir tāds, ka adenīns savienojas ar timīnu, bet guanīns - ar citozīnu. Šī specifiskās bāzes savienošanas koncepcija ļāva izskaidrot "Chargaff likumu", saskaņā ar kuru jebkurā DNS molekulā adenīna daudzums vienmēr ir vienāds ar timīna saturu, bet guanīna daudzums vienmēr ir vienāds ar citozīna daudzumu. . Starp adenīnu un timīnu veidojas divas ūdeņraža saites, bet starp guanīnu un citozīnu - trīs. Sakarā ar šo specifiku ūdeņraža saišu veidošanā pret katru adenīnu vienā ķēdē, timīns atrodas otrā; tāpat pret katru guanīnu var likt tikai citozīnu. Tādējādi ķēdes ir viena otru komplementāras, tas ir, nukleotīdu secība vienā ķēdē unikāli nosaka to secību otrā. Abas ķēdes iet pretējos virzienos, un to fosfāta gala grupas atrodas dubultās spirāles pretējos galos.

Pētījumu rezultātā Vatsons un Kriks 1953. gadā ierosināja DNS molekulas struktūras modeli (3. att.), kas joprojām ir aktuāls līdz mūsdienām. Saskaņā ar modeli DNS molekula sastāv no divām komplementārām polinukleotīdu ķēdēm. Katra DNS virkne ir polinukleotīds, kas sastāv no vairākiem desmitiem tūkstošu nukleotīdu. Tajā blakus esošie nukleotīdi veido regulāru pentozes-fosfāta mugurkaulu, pateicoties fosforskābes atlikuma un dezoksiribozes kombinācijai ar spēcīgu kovalento saiti. Vienas polinukleotīdu ķēdes slāpekļa bāzes ir izvietotas stingri noteiktā secībā pret otras ķēdes slāpekļa bāzēm. Slāpekļa bāzu maiņa polinukleotīdu ķēdē ir neregulāra.

Slāpekļa bāzu izkārtojums DNS ķēdē ir komplementārs (no grieķu "komplements" - pievienošana), t.i. pret adenīnu (A) vienmēr ir timīns (T), bet pret guanīnu (G) - tikai citozīns (C). Tas izskaidrojams ar to, ka A un T, kā arī G un C stingri atbilst viens otram, t.i. papildina viens otru. Šo atbilstību nodrošina bāzu ķīmiskā struktūra, kas ļauj veidot ūdeņraža saites purīna un pirimidīna pārī. Starp A un T ir divas saites, starp G un C - trīs. Šīs saites nodrošina daļēju DNS molekulas stabilizāciju telpā. Dubultās spirāles stabilitāte ir tieši proporcionāla G≡C saišu skaitam, kas ir stabilākas par A=T saitēm.

Zināmā nukleotīdu secība vienā DNS virknē ļauj pēc komplementaritātes principa noteikt citas virknes nukleotīdus.

Turklāt ir konstatēts, ka slāpekļa bāzes ar aromātisku struktūru ūdens šķīdumā atrodas viena virs otras, veidojot it kā monētu kaudzi. Šis process veido kaudzes no organiskās molekulas sauc par kraušanu. Aplūkotā Vatsona-Krika modeļa DNS molekulas polinukleotīdu ķēdēm ir līdzīgs fizikāli ķīmiskais stāvoklis, to slāpekļa bāzes ir sakārtotas monētu kaudzes veidā, starp kuru plaknēm notiek van der Vālsa mijiedarbība (kraušanas mijiedarbība).

Ūdeņraža saites starp komplementārām bāzēm (horizontāli) un kraušanas mijiedarbība starp bāzes plaknēm polinukleotīdu ķēdē van der Vāla spēku dēļ (vertikāli) nodrošina DNS molekulai papildu stabilizāciju telpā.

Abu ķēžu cukura-fosfāta mugurkauli ir pagriezti uz āru, un pamatnes ir uz iekšu, viena pret otru. DNS virkņu virziens ir pretparalēls (vienai no tām ir virziens 5"->3", otrai - 3"->5", t.i., vienas virknes 3" gals atrodas pretī 5" galam. no otras.). Ķēdes veido taisnas spirāles ar kopīgu asi. Viens spirāles apgrieziens ir 10 nukleotīdi, pagrieziena izmērs ir 3,4 nm, katra nukleotīda augstums ir 0,34 nm, spirāles diametrs ir 2,0 nm. Vienas virknes rotācijas rezultātā ap otru DNS dubultā spirālē veidojas liela rieva (apmēram 20 Å diametrā) un neliela rieva (apmēram 12 Å). Šo Watson-Crick dubultās spirāles formu vēlāk sauca par B formu. Šūnās DNS parasti pastāv B formā, kas ir visstabilākā.

DNS funkcijas

Ierosinātais modelis izskaidro daudzas dezoksiribonukleīnskābes bioloģiskās īpašības, tostarp ģenētiskās informācijas uzglabāšanu un gēnu daudzveidību, ko nodrošina liela dažādība secīgas 4 nukleotīdu kombinācijas un ģenētiskā koda esamības fakts, spēja pašreproducēt un pārnest ģenētisko informāciju, ko nodrošina replikācijas process, un ģenētiskās informācijas realizācija proteīnu, kā arī jebkuru citu savienojumu veidā. veidojas ar proteīnu enzīmu palīdzību.

DNS pamatfunkcijas.

  1. DNS ir ģenētiskās informācijas nesējs, ko nodrošina ģenētiskā koda esamības fakts.
  2. Reprodukcija un pārraidīta ģenētiskā informācija šūnu un organismu paaudzēs. Šo funkciju nodrošina replikācijas process.
  3. Ģenētiskās informācijas realizācija proteīnu veidā, kā arī jebkuri citi savienojumi, kas veidojas ar fermentu proteīnu palīdzību. Šo funkciju nodrošina transkripcijas un tulkošanas procesi.

Divpavedienu DNS organizācijas formas

DNS var veidot vairāku veidu dubultspirāles (4. att.). Šobrīd jau zināmas sešas formas (no A līdz E un Z-forma).

DNS strukturālās formas, kā to noteica Rosalind Franklin, ir atkarīgas no nukleīnskābes molekulas piesātinājuma ar ūdeni. DNS šķiedru pētījumos, izmantojot rentgenstaru difrakcijas analīzi, tika parādīts, ka rentgenstaru difrakcijas modelis radikāli ir atkarīgs no tā, pie kāda relatīvā mitruma, pie kādas šīs šķiedras ūdens piesātinājuma pakāpes notiek eksperiments. Ja šķiedra bija pietiekami piesātināta ar ūdeni, tad tika iegūta viena rentgenogramma. Žāvējot, parādījās pavisam cits rentgena attēls, kas ļoti atšķiras no augstas mitruma šķiedras rentgena attēla.

Augsta mitruma DNS molekulu sauc par B formu. Fizioloģiskos apstākļos (zema sāls koncentrācija, augsta hidratācijas pakāpe) dominējošais DNS strukturālais tips ir B-forma (galvenā divpavedienu DNS forma ir Vatsona-Krika modelis). Šādas molekulas spirāles solis ir 3,4 nm. Vienā gājienā ir 10 papildinoši pāri savītu "monētu" kaudžu veidā - slāpekļa bāzes. Kaudzītes tiek turētas kopā ar ūdeņraža saitēm starp divām pretējām skursteņu "monētām", un tās ir "aptītas" ar divām fosfodiestera mugurkaula lentēm, kas savītas labās puses spirālē. Slāpekļa pamatu plaknes ir perpendikulāras spirāles asij. Kaimiņos esošie komplementārie pāri ir pagriezti viens pret otru par 36°. Spirāles diametrs ir 20Å, purīna nukleotīds aizņem 12Å un pirimidīna nukleotīds aizņem 8Å.

Zemāka mitruma DNS molekulu sauc par A formu. A-forma veidojas mazāk augsta hidratācijas apstākļos un pie lielāka Na + vai K + jonu satura. Šai plašākai labās puses uzbūvei ir 11 bāzes pāri vienā pagriezienā. Slāpekļa pamatu plaknēm ir spēcīgāks slīpums pret spirāles asi, tās novirzās no normālās uz spirāles asi par 20°. Tas nozīmē, ka ir iekšējs tukšums ar diametru 5 Å. Attālums starp blakus esošajiem nukleotīdiem ir 0,23 nm, spoles garums ir 2,5 nm, un spirāles diametrs ir 2,3 nm.

Sākotnēji tika uzskatīts, ka DNS A forma ir mazāk svarīga. Taču vēlāk izrādījās, ka DNS A formai, tāpat kā B formai, ir liela bioloģiskā nozīme. RNS-DNS spirālei šablona-sēklu kompleksā ir A forma, kā arī RNS-RNS spirāle un RNS matadata struktūras (ribozes 2'-hidroksilgrupa neļauj RNS molekulām veidot B formu) . DNS A forma ir atrodama sporās. Ir noskaidrots, ka DNS A forma ir 10 reizes izturīgāka pret UV stariem nekā B forma.

A un B formu sauc par DNS kanoniskajām formām.

Veidlapas C-E arī labroči, to veidošanos var novērot tikai īpašos eksperimentos, un, acīmredzot, tie neeksistē in vivo. DNS C formai ir līdzīga struktūra kā B-DNS. Bāzes pāru skaits vienā pagriezienā ir 9,33, un spirāles garums ir 3,1 nm. Bāzes pāri ir slīpi 8 grādu leņķī attiecībā pret perpendikulāro stāvokli asij. Rievu izmērs ir tuvu B-DNS rievām. Šajā gadījumā galvenā rieva ir nedaudz mazāka, bet mazākā rieva ir dziļāka. Dabiskie un sintētiskie DNS polinukleotīdi var nonākt C formā.

1. tabula. Dažu veidu DNS struktūru raksturojums
Spirālveida tips A B Z
Spirālveida solis 0,32 nm 3,38 nm 4,46 nm
Spirālveida vērpjot Pa labi Pa labi Pa kreisi
Bāzes pāru skaits vienā apgriezienā 11 10 12
Attālums starp bāzes plaknēm 0,256 nm0,338 nm0,371 nm
Glikozīdiskās saites konformācija antiantianti-C
sin-G
Furanozes gredzena uzbūve C3 "-endoC2 "-endoC3 "-endo-G
C2 "-endo-C
Rievu platums, mazs/liels 1,11/0,22 nm 0,57/1,17 nm0,2/0,88 nm
Rievu dziļums, mazs/liels 0,26/1,30 nm 0,82/0,85 nm1,38/0,37 nm
Spirāles diametrs 2,3 nm 2,0 nm 1,8 nm

DNS strukturālie elementi
(nekanoniskas DNS struktūras)

DNS strukturālie elementi ietver neparastas struktūras, ko ierobežo dažas īpašas sekvences:

  1. DNS Z-forma - veidojas DNS B formas vietās, kur purīni mijas ar pirimidīniem vai atkārtojumos, kas satur metilētu citozīnu.
  2. Palindromi ir apvērstas sekvences, apgriezti bāzes secību atkārtojumi, kam ir otrās kārtas simetrija attiecībā pret divām DNS virknēm un kas veido "matadatas" un "krustus".
  3. DNS H-forma un DNS trīskāršās spirāles veidojas tādas vietas klātbūtnē, kas satur tikai purīnus vienā parastā Vatsona-Krika dupleksa virknē, un otrajā virknē, attiecīgi, pirimidīnus, kas ir tiem komplementāri.
  4. G-kvadruplekss (G-4) ir četrpavedienu DNS spirāle, kurā 4 guanīna bāzes no dažādām virknēm veido G-kvartetus (G-tetradas), ko satur ūdeņraža saites, veidojot G-kvadrupleksus.

DNS Z-forma tika atklāts 1979. gadā, pētot heksanukleotīdu d(CG)3 - . To atklāja MIT profesors Aleksandrs Ričs un viņa darbinieki. Z-forma ir kļuvusi par vienu no vissvarīgākajām strukturālie elementi DNS sakarā ar to, ka tās veidošanās tika novērota DNS reģionos, kur purīni mijas ar pirimidīniem (piemēram, 5'-HCHCHC-3'), vai 5'-CHCHCH-3' atkārtojumos, kas satur metilētu citozīnu. Būtisks nosacījums Z-DNS veidošanai un stabilizācijai bija purīna nukleotīdu klātbūtne tajā sin-konformācijā, kas mijās ar pirimidīna bāzēm antikonformācijā.

Dabiskās DNS molekulas lielākoties pastāv pareizajā B formā, ja vien tās nesatur tādas sekvences kā (CG)n. Taču, ja šādas sekvences ir daļa no DNS, tad šie reģioni, kad šķīduma jonu stiprums vai katjoni, kas neitralizē fosfodiestera mugurkaula negatīvo lādiņu, var mainīties Z formā, savukārt citi DNS reģioni ķēdē paliek. klasiskā B forma. Šādas pārejas iespēja norāda, ka abas DNS dubultās spirāles virknes atrodas dinamiskā stāvoklī un var atraisīties viena pret otru, pārejot no labās formas uz kreiso un otrādi. Šīs labilitātes bioloģiskās sekas, kas ļauj veikt DNS struktūras konformācijas transformācijas, vēl nav pilnībā izprastas. Tiek uzskatīts, ka Z-DNS reģioniem ir nozīme noteiktu gēnu ekspresijas regulēšanā un tie piedalās ģenētiskajā rekombinācijā.

DNS Z-forma ir kreisās puses dubultspirāle, kurā fosfodiestera mugurkauls ir zigzaga veidā pa molekulas asi. Līdz ar to molekulas nosaukums (zigzags)-DNS. Z-DNS ir vismazāk savīti (12 bāzes pāri vienā pagriezienā) un plānākā dabā. Attālums starp blakus esošajiem nukleotīdiem ir 0,38 nm, spoles garums ir 4,56 nm, un Z-DNS diametrs ir 1,8 nm. Turklāt, izskatsŠī DNS molekula atšķiras ar vienas rievas klātbūtni.

DNS Z forma ir atrasta prokariotu un eikariotu šūnās. Līdz šim ir iegūtas antivielas, kas spēj atšķirt DNS Z formu un B formu. Šīs antivielas saistās ar specifiskiem Drosophila (Dr. melanogaster) siekalu dziedzeru šūnu milzu hromosomu reģioniem. Saistīšanās reakcijai ir viegli sekot, pateicoties šo hromosomu neparastajai struktūrai, kurā blīvāki reģioni (diski) kontrastē ar mazāk blīviem reģioniem (starpdiski). Z-DNS reģioni atrodas starpdiskos. No tā izriet, ka Z-forma faktiski eksistē dabiskos apstākļos, lai gan Z-formas atsevišķu posmu izmēri vēl nav zināmi.

(shifters) - slavenākās un biežāk sastopamās bāzes sekvences DNS. Palindroms ir vārds vai frāze, kas skan no kreisās puses uz labo un otrādi tādā pašā veidā. Šādu vārdu vai frāžu piemēri ir: BŪDA, KAZAKS, PLŪDI UN UZ AZORA KĒPĀM NOKRITUSI ROZE. Piemērojot DNS sekcijām, šis termins (palindroms) nozīmē to pašu nukleotīdu maiņu ķēdē no labās uz kreiso un no kreisās puses uz labo (tāpat kā burti vārdā "būda" utt.).

Palindromu raksturo apgrieztu bāzes secību atkārtojumu klātbūtne, kam ir otrās kārtas simetrija attiecībā pret divām DNS virknēm. Šādas sekvences acīmredzamu iemeslu dēļ ir sevi papildinošas un mēdz veidot matadatas vai krustveida struktūras (att.). Matadatas palīdz regulējošajiem proteīniem atpazīt vietu, kur tiek kopēts hromosomu DNS ģenētiskais teksts.

Gadījumos, kad vienā un tajā pašā DNS virknē ir apgriezts atkārtojums, šādu secību sauc par spoguļatkārtojumu. Spoguļatkārtojumiem nav sevi papildinošu īpašību, un tāpēc tie nespēj veidot matadata vai krustveida struktūras. Šāda veida sekvences ir atrodamas gandrīz visās lielajās DNS molekulās, un tās var būt no dažiem bāzes pāriem līdz vairākiem tūkstošiem bāzu pāru.

Palindromu klātbūtne krustveida struktūru veidā eikariotu šūnās nav pierādīta, lai gan E. coli šūnās in vivo ir konstatētas vairākas krustveida struktūras. Paškomplementāru sekvenču klātbūtne RNS vai vienpavedienu DNS ir galvenais iemesls nukleīna ķēdes locīšanai šķīdumos noteiktā telpiskā struktūrā, ko raksturo daudzu "matadatu" veidošanās.

DNS H-forma- šī ir spirāle, ko veido trīs DNS pavedieni - DNS trīskāršā spirāle. Tas ir Vatsona-Krika dubultspirāles komplekss ar trešo vienpavedienu DNS virkni, kas iekļaujas tās lielajā rievā, veidojot tā saukto Hoogstīna pāri.

Šāda tripleksa veidošanās notiek DNS dubultspirāles pievienošanas rezultātā tā, ka puse no tās sekcijas paliek dubultspirāles formā, bet otrā puse ir atvienota. Šajā gadījumā viena no atvienotajām spirālēm veido jaunu struktūru ar dubultās spirāles pirmo pusi - trīskāršo spirāli, bet otrā izrādās nestrukturēta, viena pavediena sekcijas veidā. Šīs strukturālās pārejas iezīme ir asa atkarība no vides pH, kura protoni stabilizē jauno struktūru. Pateicoties šai iezīmei, jauno struktūru nosauca par DNS H formu, kuras veidošanās tika konstatēta supercoiled plazmīdās, kas satur homopurīna-homopirimidīna reģionus, kas ir spoguļatkārtojums.

Turpmākajos pētījumos tika noteikta dažu homopurīna-homopirimidīna divpavedienu polinukleotīdu strukturālas pārejas iespēja, veidojot trīspavedienu struktūru, kas satur:

  • viena homopurīna un divas homopirimidīna pavedieni ( Py-Pu-Py triplekss) [Hoogsteen mijiedarbība].

    Py-Pu-Py tripleksa bloki ir kanoniski izomorfi CGC+ un TAT triādes. Tripleksa stabilizēšanai nepieciešama CGC+ triādes protonēšana, tāpēc šie tripleksi ir atkarīgi no šķīduma pH.

  • viena homopirimidīna un divas homopurīna šķipsnas ( Py-Pu-Pu triplekss) [apgrieztā Hoogstīna mijiedarbība].

    Py-Pu-Pu tripleksa bloki ir kanoniskās izomorfās CGG un TAA triādes. Py-Pu-Pu tripleksu būtiska īpašība ir to stabilitātes atkarība no divkārši lādētu jonu klātbūtnes, un ir nepieciešami dažādi joni, lai stabilizētu dažādu secību tripleksus. Tā kā Py-Pu-Pu tripleksu veidošanai nav nepieciešama to sastāvā esošo nukleotīdu protonēšana, šādi tripleksi var pastāvēt pie neitrāla pH.

    Piezīme: tiešā un apgrieztā Hoogstīna mijiedarbība ir izskaidrojama ar 1-metiltimīna simetriju: 180 ° rotācija noved pie tā, ka O4 atoma vietu aizņem O2 atoms, bet tiek saglabāta ūdeņraža saišu sistēma.

Ir divu veidu trīskāršās spirāles:

  1. paralēlas trīskāršas spirāles, kurās trešās daļas polaritāte ir tāda pati kā Vatsona-Krick dupleksa homopurīna ķēdes polaritātei
  2. antiparalēlas trīskāršās spirāles, kurās trešās un homopurīna ķēdes polaritātes ir pretējas.
Ķīmiski homologās ķēdes gan Py-Pu-Pu, gan Py-Pu-Py tripleksos ir antiparalēlā orientācijā. To vēl vairāk apstiprināja KMR spektroskopijas dati.

G-kvadruplekss- 4-pavedienu DNS. Šāda struktūra veidojas, ja ir četri guanīni, kas veido tā saukto G-kvadrupleksu – četru guanīnu apaļo deju.

Pirmie mājieni par šādu struktūru veidošanās iespējamību tika iegūti ilgi pirms Vatsona un Krika izrāviena darba - jau 1910. gadā. Tad vācu ķīmiķis Ivars Bangs atklāja, ka viena no DNS sastāvdaļām – guanozīnskābe – lielās koncentrācijās veido želejas, savukārt citām DNS sastāvdaļām šī īpašība nepiemīt.

1962. gadā, izmantojot rentgenstaru difrakcijas metodi, izdevās noteikt šī gēla šūnu struktūru. Izrādījās, ka tas sastāv no četriem guanīna atlikumiem, kas savieno viens otru aplī un veido raksturīgu kvadrātu. Centrā saiti atbalsta metāla jons (Na, K, Mg). Tādas pašas struktūras var veidoties DNS, ja tajā ir daudz guanīna. Šie plakanie kvadrāti (G kvarteti) ir sakrauti, lai veidotu diezgan stabilas, blīvas struktūras (G kvadrupleksi).

Četras atsevišķas DNS pavedienus var ieaust četrpavedienu kompleksos, taču tas drīzāk ir izņēmums. Biežāk viena nukleīnskābes virkne tiek vienkārši sasieta mezglā, veidojot raksturīgus sabiezējumus (piemēram, hromosomu galos), vai arī divpavedienu DNS veido lokālu kvadrupleksu kādā ar guanīnu bagātā vietā.

Visvairāk pētīta ir kvadrupleksu esamība hromosomu galos – uz telomēriem un onkopromoteros. Tomēr pilnīga izpratne par šādas DNS lokalizāciju cilvēka hromosomās joprojām nav zināma.

Visas šīs neparastās DNS struktūras lineārajā formā ir nestabilas salīdzinājumā ar DNS B formu. Tomēr DNS bieži pastāv topoloģiskā spriedzes gredzena formā, kad tai ir tā sauktā superspirāle. Šādos apstākļos viegli veidojas nekanoniskas DNS struktūras: Z formas, "krusti" un "matadatas", H formas, guanīna kvadrupleksi un i-motīvs.

  • Supercoiled forma - tiek atzīmēta, atbrīvojoties no šūnas kodola, nesabojājot pentozes-fosfāta mugurkaulu. Tam ir supervītu slēgtu gredzenu forma. Supervītā stāvoklī DNS dubultspirāle vismaz vienu reizi tiek "savīta uz sevi", t.i., tajā ir vismaz viena superspirāle (tā ir astotnieka forma).
  • Atslābināts DNS stāvoklis - novērots ar vienu pārtraukumu (vienas virknes pārtraukums). Šajā gadījumā superspirāles pazūd un DNS iegūst slēgta gredzena formu.
  • DNS lineārā forma tiek novērota, kad tiek salauzti divi dubultās spirāles pavedieni.
Visas trīs uzskaitītās DNS formas ir viegli atdalāmas ar gēla elektroforēzi.

DNS terciārā struktūra

DNS terciārā struktūra veidojas divpavedienu molekulas papildus savīšanas rezultātā telpā - tās superspirāles rezultātā. DNS molekulas superspirāle eikariotu šūnās, atšķirībā no prokariotiem, tiek veikta kompleksu veidā ar olbaltumvielām.

Gandrīz visa eikariotu DNS atrodas kodolu hromosomās, tikai neliels tās daudzums ir atrodams mitohondrijās, augos un plastidos. Eikariotu šūnu (tostarp cilvēka hromosomu) hromosomu galvenā viela ir hromatīns, kas sastāv no divpavedienu DNS, histona un nehistona proteīniem.

Hromatīna histonu proteīni

Histoni ir vienkārši proteīni, kas veido līdz 50% hromatīna. Visās pētītajās dzīvnieku un augu šūnās tika konstatētas piecas galvenās histonu klases: H1, H2A, H2B, H3, H4, kas atšķiras pēc izmēra, aminoskābju sastāva un lādiņa (vienmēr pozitīvs).

Zīdītāju histons H1 sastāv no vienas polipeptīda ķēdes, kas satur aptuveni 215 aminoskābes; citu histonu izmēri svārstās no 100 līdz 135 aminoskābēm. Visi no tiem ir spiralizēti un savīti globulā ar diametru aptuveni 2,5 nm, satur neparasti lielu daudzumu pozitīvi lādētu aminoskābju lizīna un arginīna. Histoni var būt acetilēti, metilēti, fosforilēti, poli(ADP)-ribosilēti, un histoni H2A un H2B var būt kovalenti saistīti ar ubikvitīnu. Kāda ir šādu modifikāciju nozīme histonu struktūras veidošanā un funkciju izpildē, vēl nav pilnībā noskaidrota. Tiek pieņemts, ka tā ir viņu spēja mijiedarboties ar DNS un nodrošināt vienu no gēnu darbības regulēšanas mehānismiem.

Histoni mijiedarbojas ar DNS galvenokārt caur jonu saites(sāls tilti), kas veidojas starp negatīvi lādētām DNS fosfātu grupām un pozitīvi lādētām lizīna un arginīna histona atliekām.

Hromatīna nehistona proteīni

Nehistona proteīni, atšķirībā no histoniem, ir ļoti dažādi. Ir izolētas līdz 590 dažādām DNS saistošo nehistona proteīnu frakcijām. Tos sauc arī par skābiem proteīniem, jo ​​to struktūrā dominē skābās aminoskābes (tie ir polianjoni). Hromatīna aktivitātes specifiskā regulēšana ir saistīta ar dažādiem nehistona proteīniem. Piemēram, fermenti, kas ir būtiski DNS replikācijai un ekspresijai, var īslaicīgi saistīties ar hromatīnu. Citi proteīni, piemēram, tie, kas iesaistīti dažādos regulējošos procesos, saistās ar DNS tikai konkrētos audos vai noteiktos diferenciācijas posmos. Katrs proteīns ir komplementārs ar noteiktu DNS nukleotīdu secību (DNS vietu). Šajā grupā ietilpst:

  • vietai raksturīgu cinka pirkstu proteīnu saime. Katrs "cinka pirksts" atpazīst noteiktu vietu, kas sastāv no 5 nukleotīdu pāriem.
  • vietai raksturīgo proteīnu saime – homodimēri. Šāda proteīna fragmentam, kas saskaras ar DNS, ir "spirāles-pagrieziena-spirāles" struktūra.
  • augstas mobilitātes proteīni (HMG proteins - no angļu valodas high mobility gel proteins) ir strukturālo un regulējošo proteīnu grupa, kas pastāvīgi ir saistīta ar hromatīnu. To molekulmasa ir mazāka par 30 kD, un tiem raksturīgs augsts lādētu aminoskābju saturs. Zemās molekulmasas dēļ HMG proteīni ir ļoti mobili poliakrilamīda gēla elektroforēzes laikā.
  • replikācijas, transkripcijas un labošanas enzīmi.

Piedaloties DNS un RNS sintēzē iesaistītajiem strukturālajiem, regulējošajiem proteīniem un fermentiem, nukleosomu pavediens tiek pārveidots par ļoti kondensētu proteīnu un DNS kompleksu. Iegūtā struktūra ir 10 000 reižu īsāka nekā sākotnējā DNS molekula.

Hromatīns

Hromatīns ir proteīnu komplekss ar kodola DNS un neorganiskām vielām. Lielākā daļa hromatīna ir neaktīvs. Tas satur blīvi iesaiņotu, kondensētu DNS. Tas ir heterohromatīns. Ir konstitutīvs, ģenētiski neaktīvs hromatīns (satelīta DNS), kas sastāv no neizteiktiem reģioniem, un fakultatīvs - neaktīvs vairākās paaudzēs, bet noteiktos apstākļos spēj izteikties.

Aktīvais hromatīns (eihromatīns) ir nekondensēts, t.i. iesaiņots mazāk cieši. IN dažādas šūnas tā saturs svārstās no 2 līdz 11%. Smadzeņu šūnās tas ir visvairāk - 10-11%, aknu šūnās - 3-4 un nierēs - 2-3%. Ir aktīva eihromatīna transkripcija. Tajā pašā laikā tā strukturālā organizācija ļauj specializētās šūnās dažādos veidos izmantot vienu un to pašu DNS ģenētisko informāciju, kas raksturīga noteikta veida organismam.

Elektronu mikroskopā hromatīna attēls atgādina lodītes: apmēram 10 nm lielus sfēriskus sabiezējumus, kas atdalīti ar pavedienveida tiltiņiem. Šos sfēriskos sabiezējumus sauc par nukleosomām. Nukleosoma ir hromatīna struktūrvienība. Katra nukleosoma satur 146 bp garu superspirālu DNS segmentu, kas veido 1,75 kreiso pagriezienu katrā nukleosomas kodolā. Nukleosomu kodols ir histona oktamērs, kas sastāv no histoniem H2A, H2B, H3 un H4, divām katra veida molekulām (9. att.), kas izskatās kā disks ar diametru 11 nm un biezumu 5,7 nm. Piektais histons, H1, nav daļa no nukleosomu kodola un nav iesaistīts DNS tinumu procesā ap histona oktameru. Tas saskaras ar DNS punktos, kur dubultā spirāle ieiet un iziet no nukleosomu kodola. Tās ir DNS starpkodolu (linkera) sekcijas, kuru garums atkarībā no šūnas veida mainās no 40 līdz 50 nukleotīdu pāriem. Rezultātā mainās arī DNS fragmenta garums, kas ir daļa no nukleosomām (no 186 līdz 196 nukleotīdu pāriem).

Nukleosoma satur apmēram 90% DNS, pārējā daļa ir saistītājs. Tiek uzskatīts, ka nukleosomas ir "klusā" hromatīna fragmenti, kamēr saistītājs ir aktīvs. Tomēr nukleosomas var izvērsties un kļūt lineāras. Atlocītās nukleosomas jau ir aktīvs hromatīns. Tas skaidri parāda funkcijas atkarību no struktūras. Var pieņemt, ka jo vairāk hromatīna ir globulāro nukleosomu sastāvā, jo mazāk aktīvs tas ir. Acīmredzot dažādās šūnās nevienlīdzīgā miera stāvoklī esošā hromatīna proporcija ir saistīta ar šādu nukleosomu skaitu.

Uz elektronu mikroskopiskām fotogrāfijām atkarībā no izolācijas apstākļiem un stiepšanās pakāpes hromatīns var izskatīties ne tikai kā garš pavediens ar sabiezinājumiem - nukleosomu "krelles", bet arī kā īsāka un blīvāka fibrila (šķiedra) ar diametru 30 nm, kura veidošanās tiek novērota mijiedarbības histona H1 laikā, kas saistīts ar DNS linkera reģionu un histonu H3, kas noved pie sešu nukleosomu spirāles papildu savīšanas vienā apgriezienā, veidojot solenoīdu ar diametru 30 nm . Šajā gadījumā histona proteīns var traucēt vairāku gēnu transkripciju un tādējādi regulēt to darbību.

Iepriekš aprakstītās DNS mijiedarbības ar histoniem rezultātā DNS dubultās spirāles segments, kas sastāv no 186 bāzes pāriem ar vidējo diametru 2 nm un garumu 57 nm, pārvēršas par spirāli ar diametru 10 nm un garumu. no 5 nm. Pēc tam šīs spirāles saspiešanas līdz šķiedrai ar diametru 30 nm kondensācijas pakāpe palielinās vēl sešas reizes.

Galu galā DNS dupleksa iepakojums ar pieciem histoniem rada 50 kārtīgu DNS kondensāciju. Tomēr pat tā augsta pakāpe kondensācija nevar izskaidrot gandrīz 50 000 līdz 100 000 reižu DNS sablīvēšanos metafāzes hromosomā. Diemžēl sīkāka informācija par hromatīna turpmāko iepakošanu līdz metafāzes hromosomai vēl nav zināma, tāpēc var apsvērt tikai šī procesa vispārīgās iezīmes.

DNS blīvēšanas līmeņi hromosomās

Katra DNS molekula ir iepakota atsevišķā hromosomā. Diploīdās cilvēka šūnas satur 46 hromosomas, kas atrodas šūnas kodolā. Visas šūnas hromosomu DNS kopējais garums ir 1,74 m, bet kodola diametrs, kurā hromosomas ir iepakotas, ir miljoniem reižu mazāks. Šādu kompaktu DNS iesaiņojumu hromosomās un hromosomās šūnas kodolā nodrošina dažādi histonu un nehistona proteīni, kas noteiktā secībā mijiedarbojas ar DNS (skatīt iepriekš). DNS sablīvēšanās hromosomās ļauj samazināt tās lineāros izmērus aptuveni 10 000 reižu - nosacīti no 5 cm līdz 5 mikroniem. Ir vairāki blīvēšanas līmeņi (10. att.).

  • DNS dubultspirāle ir negatīvi lādēta molekula, kuras diametrs ir 2 nm un garums ir vairāki cm.
  • nukleosomu līmenis- hromatīns elektronu mikroskopā izskatās kā "kreļļu" - nukleosomu - "uz pavediena" ķēde. Nukleosoma ir universāla struktūrvienība, kas atrodama gan eihromatīnā, gan heterohromatīnā, starpfāzu kodolā un metafāzes hromosomās.

    Nukleosomu blīvēšanas līmeni nodrošina īpaši proteīni - histoni. Astoņi pozitīvi lādēti histona domēni veido nukleosomas kodolu (kodolu), ap kuru ir apvīts negatīvi lādētā DNS molekula. Tas nodrošina saīsinājumu par 7, bet diametrs palielinās no 2 līdz 11 nm.

  • solenoīda līmenis

    Hromosomu organizācijas solenoīdu līmeni raksturo nukleosomu pavediena savīšana un no tā veidojas biezākas fibrilus 20-35 nm diametrā - solenoīdus jeb superbids. Solenoīda solis ir 11 nm, vienā apgriezienā ir apmēram 6-10 nukleosomas. Solenoīda iepakojums tiek uzskatīts par ticamāku nekā superbid pakotne, saskaņā ar kuru hromatīna fibrila ar diametru 20–35 nm ir granulu ķēde jeb superbids, no kurām katra sastāv no astoņām nukleosomām. Solenoīda līmenī DNS lineārais izmērs tiek samazināts 6-10 reizes, diametrs palielinās līdz 30 nm.

  • cilpas līmenis

    Cilpas līmeni nodrošina vietnei nespecifiski DNS saistoši proteīni, kas atpazīst un saistās ar specifiskām DNS sekvencēm, veidojot aptuveni 30-300 kb cilpas. Cilpa nodrošina gēnu ekspresiju, t.i. cilpa ir ne tikai strukturāls, bet arī funkcionāls veidojums. Saīsināšana šajā līmenī notiek 20-30 reizes. Diametrs palielinās līdz 300 nm. Uz citoloģiskajiem preparātiem var redzēt cilpveida "lampas sukas" struktūras abinieku oocītos. Šķiet, ka šīs cilpas ir supercoilētas un attēlo DNS domēnus, kas, iespējams, atbilst hromatīna transkripcijas un replikācijas vienībām. Specifiski proteīni fiksē cilpu pamatnes un, iespējams, dažus to iekšējos reģionus. Cilpai līdzīgā domēna organizācija atvieglo hromatīna locīšanu metafāzes hromosomās augstākās kārtas spirālveida struktūrās.

  • domēna līmenī

    Hromosomu organizācijas domēna līmenis nav pietiekami pētīts. Šajā līmenī tiek atzīmēta cilpas domēnu veidošanās - 25-30 nm biezu pavedienu (fibrilu) struktūras, kas satur 60% proteīna, 35% DNS un 5% RNS, ir praktiski neredzamas visās šūnu cikla fāzēs. izņemot mitozi un ir nedaudz nejauši sadalīti pa šūnas kodolu. Uz citoloģiskajiem preparātiem var redzēt cilpveida "lampas sukas" struktūras abinieku oocītos.

    Cilpas domēni ar savu bāzi ir pievienoti intranukleārajai proteīna matricai tā sauktajās iebūvētajās piestiprināšanas vietās, ko bieži dēvē par MAR / SAR sekvencēm (MAR, no angļu matricas saistītā reģiona; SAR, no angļu sastatņu piestiprināšanas reģioniem) - DNS fragmenti vairāki simti garu bāzu pāru, kam raksturīgs augsts A/T bāzu pāru saturs (>65%). Šķiet, ka katram domēnam ir viens replikācijas avots, un tas darbojas kā autonoma supercoiled vienība. Jebkurš cilpas domēns satur daudzas transkripcijas vienības, kuru darbība, visticamāk, ir koordinēta – viss domēns ir vai nu aktīvā, vai neaktīvā stāvoklī.

    Domēna līmenī secīgas hromatīna iepakošanas rezultātā DNS lineārie izmēri samazinās apmēram 200 reizes (700 nm).

  • hromosomu līmenis

    Hromosomu līmenī profāzes hromosoma kondensējas metafāzē, saspiežot cilpas domēnus ap nehistona proteīnu aksiālo karkasu. Šo superspolēšanu pavada visu šūnā esošo H1 molekulu fosforilēšanās. Rezultātā metafāzes hromosomu var attēlot kā blīvi iesaiņotas solenoīda cilpas, kas satītas stingrā spirālē. Tipiskā cilvēka hromosoma var saturēt līdz 2600 cilpām. Šādas struktūras biezums sasniedz 1400 nm (divas hromatīdas), savukārt DNS molekula tiek saīsināta 104 reizes, t.i. no 5 cm izstiepta DNS līdz 5 µm.

Hromosomu funkcijas

Mijiedarbojoties ar ārpushromosomu mehānismiem, hromosomas nodrošina

  1. iedzimtas informācijas glabāšana
  2. izmantojot šo informāciju, lai izveidotu un uzturētu šūnu organizāciju
  3. iedzimtības informācijas lasīšanas regulējums
  4. ģenētiskā materiāla pašdublēšanās
  5. ģenētiskā materiāla pārnešana no mātes šūnas uz meitas šūnām.

Ir pierādījumi, ka, aktivizējoties hromatīna reģionam, t.i. transkripcijas laikā no tā vispirms tiek atgriezeniski noņemts histons H1 un pēc tam histona oktets. Tas izraisa hromatīna dekondensāciju, 30 nm hromatīna fibrila secīgu pāreju uz 10 nm pavedienu un tā tālāku izvēršanos brīvos DNS reģionos, t.i. nukleosomu struktūras zudums.

Uzvedība: evolucionāra pieeja Kurčanovs Nikolajs Anatoļjevičs

1.2. Ģenētiskā materiāla organizācija

Ģenētiskā aparāta strukturālā un funkcionālā organizācija nosaka visu dzīvo organismu sadalījumu prokariotos un eikariotos. Prokariotos (kas ietver baktērijas un arhejas) DNS attēlo apļveida molekula, un tā atrodas šūnas citoplazmā. Eikariotos (kas ietver visus citus organismus) DNS ir ģenētiskās informācijas strukturālais nesējs. hromosomas, atrodas kodolā.

Hromosomas ir sarežģīta daudzlīmeņu struktūra, kurā DNS mijiedarbojas ar dažādiem proteīniem. Pamatlīmenisšī struktūra ir nukleosomas kas ir astoņu olbaltumvielu molekulu lodītes histoni, savīta DNS. Nukleohistona virkne tiek salocīta vairākas reizes, veidojot kompaktas hromosomas. Šī struktūra paver plašas regulējuma iespējas.

Tā kā gēnu skaits organismā ir nesamērojams vairāk numuru hromosomas, ir skaidrs, ka katrā hromosomā ir daudz gēnu. Katrs gēns hromosomā ieņem noteiktu vietu. locus. Tiek saukti gēni, kas atrodas vienā hromosomā saistīts.

Papildus kodolam neliela daļa eikariotu šūnas ģenētiskās informācijas atrodas tādos organellos kā mitohondriji un hloroplasti, kuriem ir savas ģenētiskās sistēmas: sava DNS, dažādas RNS (i-RNS, t-RNS, r -RNS) un ribosomas, kas nodrošina neatkarīgu sintēzi vāverei. Šo organellu apļveida DNS bija svarīgs arguments par labu to baktēriju simbiotiskajai izcelsmei dzīvības veidošanās rītausmā.

Eikariotu šūnu kodols atdala transkripcijas un translācijas procesus, kas nodrošina plašas regulēšanas iespējas. Regulēšana notiek visos eikariotu gēnu ekspresijas posmos. Viņu papildu solis ir apstrāde - transkripcijas laikā sintezētās RNS komplekso transformāciju process. Vissvarīgākā mRNS apstrādes sastāvdaļa ir savienošana, kurā notiek griešana introni(gēna nekodējošie reģioni) un šķērssaistīšana eksoni(kodēšanas reģioni). Eksoni un introni nosaka eikariotu gēnu "mozaīkas" struktūru. Tieši apstrādes rezultātā kodolā sintezētā RNS kļūst funkcionāli aktīva.

Izpratne par daudzveidīgajiem regulēšanas mehānismiem ir radījusi radikālas izmaiņas mūsu priekšstatos par ģenētiskā aparāta strukturālo un funkcionālo organizāciju šobrīd.

Viens no dibinātājiem mūsdienu ģenētika, izcilais dāņu zinātnieks V. Johannsens (1857–1927) piedāvāja ģenētiskos pamatterminus - gēns, alēle, genotips, fenotips, kas nosaka indivīda ģenētiskās īpašības.

Gēniem, kas atrodas to lokos, var būt varianti − alēles. Lokusu, kura populācijā ir vairāk nekā viena alēle, sauc par polimorfu. Parasti alēles apzīmē ar latīņu vai grieķu alfabēta burtiem, un, ja to ir daudz, tad ar augšējo indeksu. Dažādu gēnu alēļu skaits organismu populācijās var būt atšķirīgs. Dažiem gēniem ir daudz alēļu, citiem ir maz. Jebkurā gadījumā alēļu skaitu ierobežo evolūcijas faktori: alēles, kas pasliktina sugas adaptīvās īpašības vai nav savienojamas ar dzīvību, tiek likvidētas dabiskās atlases ceļā.

Konkrētam eikariotiskajam organismam ir tikai divas viena gēna alēles: atbilstoši homologo hromosomu (tēva un mātes) homologo lokusu skaitam. Tiek saukts organisms, kurā abas alēles ir vienādas homozigota(šim gēnam). Organismu, kuram ir dažādas alēles, sauc heterozigota(1.4. att.). Alēles, kas lokalizētas heterogamētiskā dzimuma dzimuma hromosomās, var būt vienskaitlī.

Genotips var attēlot kā organisma alēļu kopumu, un fenotips - kā tā ārējo pazīmju kopums.

Terminu, ko 1920. gadā ieviesa vācu botāniķis G. Vinklers (1877–1945), genoms kļuva par īpašību veselai organismu sugai, nevis konkrētam indivīdam. Šī koncepcija vēlāk kļuva par vienu no vissvarīgākajām. Līdz 1980. gadiem 20. gadsimts veidojas jauna ģenētikas nozare – genomika. Sākotnēji genoms tika raksturots kā haploīdu gēnu lokusu kolekcija. Tomēr izrādījās, ka paši gēni aizņem salīdzinoši nelielu genoma daļu, lai gan tie veido tā pamatu. Lielāko daļu no tiem aizņem starpgēnu reģioni, kur ir reģioni ar regulējošu funkciju, kā arī nezināma galamērķa reģioni. Regulējošie reģioni ir nesaraujami saistīti ar gēniem, tie ir sava veida "instrukcijas", kas nosaka gēnu darbu dažādās organisma attīstības stadijās. Tāpēc par genomu pašlaik sauc visu šūnas DNS kopumu, kas raksturīgs sugas DNS.

Pašreizējā ģenētikas attīstības stadijā genomika kļūst par vienu no tās galvenajām sadaļām. Genomikas panākumus skaidri pierādīja veiksmīgā Cilvēka genoma programmas pabeigšana.

Rīsi. 1.4. Divu homologu hromosomu saistīto gēnu alēles

No grāmatas Mikrobioloģija: lekciju konspekti autors Tkačenko Ksenija Viktorovna

1. Baktēriju iedzimtības materiāla organizācija Baktēriju iedzimto aparātu attēlo viena hromosoma, kas ir DNS molekula, tā ir spiralizēta un salocīta gredzenā. Šis gredzens vienā punktā ir pievienots citoplazmas membrānai. Ieslēgts

No grāmatas Agrārās civilizācijas krīze un ģenētiski modificēti organismi autors Glazko Valērijs Ivanovičs

Pieejas svešā ģenētiskā materiāla noteikšanai pārtikas produktos

No grāmatas RADĪTĀJA ZĪMOGS. Hipotēze par dzīvības izcelsmi uz Zemes. autors Filatovs Fēlikss Petrovičs

Otrā daļa? Ģenētiskās kodēšanas mašīna

No grāmatas Psihofizioloģijas pamati autors Aleksandrovs Jurijs

11. nodaļa. Ģenētiskās kodēšanas mehānika (XI) Par to var lasīt jebkurā mācību grāmatā. Un tomēr - lai atvieglotu sekojošā spriešanas izpratni - ļoti īsi pakavēsimies pie kodēšanas mašīnas darbības. Barbieri šādu mašīnu veidošanos saista ar

No Fenētikas grāmatas [Evolūcija, populācija, zīme] autors Jablokovs Aleksejs Vladimirovičs

Trešā daļa? Ģenētiskās kodēšanas aritmētika

No grāmatas Radītāja zīmols autors Filatovs Fēlikss Petrovičs

A nodaļa. Ģenētiskā koda analogās tabulas (XIII) Pirmais, kurš mēģināja racionalizēt ģenētiskā koda tabulu un izveidot to uz racionāla pamata, bija mūsu izcilais zinātnieks Jurijs Borisovičs Rumers. Viņš bija fiziķis, Maksa Borna students, labi zināja Alberts Einšteins,

No autora grāmatas

B nodaļa. Ģenētiskā koda (XIV) FORMĀTU bariona digitalizācija 1D un 2D Stingri runājot, sistēmas saglabāto kvantu skaitli sauc par bariona skaitli. Mums nav jāiedziļinās šajā tēmā. Varbūt ir vērts atcerēties tikai to, ka barions ir elementārdaļiņa,

No autora grāmatas

8.6. Patoloģijas materiāla nozīme uzvedības sistēmiskās organizācijas izpētē

No autora grāmatas

Mutācijas process – pirmais evolūcijas materiāla piegādātājs Elementārie evolūcijas faktori tiek izšķirti pēc to ietekmes uz populācijām rakstura un rakstura, kā arī pēc to spiediena rezultātiem, ko tie izdara uz populācijām. Tajā pašā laikā nepieciešamais un pietiekams

No autora grāmatas

Populācijas svārstības – otrs materiāla piegādātājs evolūcijai Viens no svarīgākajiem evolūcijas faktoriem ir periodiskas īpatņu skaita izmaiņas, populācijas viļņi. Šajā gadījumā mēs runājam par svārstībām pozitīvā un negatīvā virzienā, aizstājot viena otru.

No autora grāmatas

Populācijas ģenētiskā sastāva dinamikas izpēte Šīs grāmatas sākumā tika uzsvērts, ka viens no kritiski uzdevumi mūsdienu populācijas pētījumi - materiālu iegūšana par dažādām evolūcijas situācijām dabiskajās populācijās, jo īpaši,

No autora grāmatas

A nodaļa. Ģenētiskā koda analogās tabulas (XIII) Pirmais, kurš mēģināja racionalizēt ģenētiskā koda tabulu un izveidot to uz racionāla pamata, bija mūsu izcilais zinātnieks Jurijs Borisovičs Rumers. Viņš bija fiziķis, Maksa Borna students, labi pazina Albertu Einšteinu,

No autora grāmatas

B nodaļa. Ģenētiskā koda bariona digitalizācija (xiv)

Jūs varētu interesēt