Genetická organizácia DNA. Diplomová práca: Štrukturálna a funkčná organizácia genetického materiálu. Samoreprodukcia dedičného materiálu. replikácia DNA

Vpravo je najväčšia ľudská špirála DNA postavená z ľudí na pláži vo Varne (Bulharsko), ktorá bola 23. apríla 2016 zapísaná do Guinessovej knihy rekordov.

Deoxyribonukleová kyselina. Všeobecné informácie

DNA (deoxyribonukleová kyselina) je akýmsi plánom života, zložitým kódom, ktorý obsahuje údaje o dedičnej informácii. Táto komplexná makromolekula je schopná uchovávať a prenášať dedičnú genetickú informáciu z generácie na generáciu. DNA určuje také vlastnosti akéhokoľvek živého organizmu, ako je dedičnosť a variabilita. Informácie v ňom zakódované určujú celý vývojový program každého živého organizmu. Geneticky vložené faktory predurčujú celý priebeh života človeka aj akéhokoľvek iného organizmu. Umelé alebo prirodzené ovplyvnenie vonkajšieho prostredia môže len nepatrne ovplyvniť celkovú závažnosť jednotlivých genetických vlastností alebo ovplyvniť vývoj naprogramovaných procesov.

Deoxyribonukleová kyselina(DNA) je makromolekula (jedna z troch hlavných, ďalšie dve sú RNA a proteíny), ktorá zabezpečuje ukladanie, prenos z generácie na generáciu a realizáciu genetického programu pre vývoj a fungovanie živých organizmov. DNA obsahuje informácie o štruktúre rôznych typov RNA a proteínov.

V eukaryotických bunkách (živočíchy, rastliny a huby) sa DNA nachádza v bunkovom jadre ako súčasť chromozómov, ako aj v niektorých bunkových organelách (mitochondrie a plastidy). V bunkách prokaryotických organizmov (baktérií a archeí) je zvnútra k bunkovej membráne pripojená kruhová alebo lineárna molekula DNA, takzvaný nukleoid. Oni a nižšie eukaryoty (napríklad kvasinky) majú tiež malé autonómne, väčšinou kruhové molekuly DNA nazývané plazmidy.

Z chemického hľadiska je DNA dlhá polymérna molekula pozostávajúca z opakujúcich sa blokov – nukleotidov. Každý nukleotid sa skladá z dusíkatej bázy, cukru (deoxyribózy) a fosfátovej skupiny. Väzby medzi nukleotidmi v reťazci sú tvorené deoxyribózou ( S) a fosfát ( F) skupiny (fosfodiesterové väzby).


Ryža. 2. Nuklertid pozostáva z dusíkatej bázy, cukru (deoxyribózy) a fosfátovej skupiny

V drvivej väčšine prípadov (okrem niektorých vírusov obsahujúcich jednovláknovú DNA) pozostáva makromolekula DNA z dvoch reťazcov orientovaných navzájom dusíkatými bázami. Táto dvojvláknová molekula je stočená do špirály.

V DNA sú štyri typy dusíkaté zásady(adenín, guanín, tymín a cytozín). Dusíkaté bázy jedného z reťazcov sú spojené s dusíkatými bázami druhého reťazca vodíkovými väzbami podľa princípu komplementarity: adenín sa spája iba s tymínom ( A-T), guanín - len s cytozínom ( G-C). Práve tieto páry tvoria „priečky“ špirálového „rebríka“ DNA (pozri: Obr. 2, 3 a 4).


Ryža. 2. Dusíkaté zásady

Sekvencia nukleotidov umožňuje „zakódovať“ informácie o rôznych typoch RNA, z ktorých najdôležitejšie sú informačná alebo templátová (mRNA), ribozomálna (rRNA) a transportná (tRNA). Všetky tieto typy RNA sa syntetizujú na templáte DNA kopírovaním sekvencie DNA do sekvencie RNA syntetizovanej počas transkripcie a zúčastňujú sa biosyntézy proteínov (proces translácie). Okrem kódujúcich sekvencií obsahuje bunková DNA sekvencie, ktoré vykonávajú regulačné a štrukturálne funkcie.


Ryža. 3. replikácia DNA

Umiestnenie základných kombinácií chemické zlúčeniny DNA a kvantitatívne vzťahy medzi týmito kombináciami poskytujú kódovanie dedičnej informácie.

Vzdelávanie nová DNA (replikácia)

  1. Proces replikácie: odvíjanie dvojzávitnice DNA - syntéza komplementárnych reťazcov DNA polymerázou - vznik dvoch molekúl DNA z jednej.
  2. Dvojitá špirála sa „rozbalí“ na dve vetvy, keď enzýmy prerušia väzbu medzi pármi báz chemických zlúčenín.
  3. Každá vetva je nový element DNA. Nové páry báz sú spojené v rovnakej sekvencii ako v rodičovskej vetve.

Po dokončení duplikácie sa vytvoria dva nezávislé helixy, vytvorené z chemických zlúčenín rodičovskej DNA, ktoré majú rovnaký genetický kód. Týmto spôsobom je DNA schopná pretrhnúť informácie z bunky do bunky.

Podrobnejšie informácie:

ŠTRUKTÚRA NUKLEOVÝCH KYSELÍN


Ryža. 4. Dusíkaté zásady: adenín, guanín, cytozín, tymín

Deoxyribonukleová kyselina(DNA) označuje nukleové kyseliny. Nukleové kyseliny je trieda nepravidelných biopolymérov, ktorých monoméry sú nukleotidy.

NUKLEOTIDY skladá sa z dusíkatej báze, spojený s päťuhlíkovým sacharidom (pentózou) - deoxyribóza(v prípade DNA) príp ribóza(v prípade RNA), ktorý sa spája so zvyškom kyseliny fosforečnej (H 2 PO 3 -).

Dusíkaté zásady Existujú dva typy: pyrimidínové bázy – uracil (iba v RNA), cytozín a tymín, purínové bázy – adenín a guanín.


Ryža. 5. Štruktúra nukleotidov (vľavo), umiestnenie nukleotidu v DNA (dole) a typy dusíkatých báz (vpravo): pyrimidín a purín Obr.


Atómy uhlíka v molekule pentózy sú očíslované od 1 do 5. Fosfát sa spája s tretím a piatym atómom uhlíka. Takto sú nukleové kyseliny spojené a vytvárajú reťazec nukleových kyselín. Takto môžeme izolovať 3' a 5' konce reťazca DNA:


Ryža. 6. Izolácia 3' a 5' konca reťazca DNA

Vytvárajú sa dve vlákna DNA Dvojitý helix. Tieto reťazce v špirále sú orientované v opačných smeroch. V rôznych vláknach DNA sú dusíkaté bázy navzájom spojené pomocou vodíkové väzby. Adenín sa vždy spája s tymínom a cytozín sa vždy spája s guanínom. To sa nazýva pravidlo komplementarity.

Pravidlo komplementárnosti:

A-T G-C

Napríklad, ak dostaneme reťazec DNA, ktorý má sekvenciu

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

potom bude druhý reťazec k nemu doplnkový a bude smerovať opačným smerom - od 5'-konca k 3'-koncu:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.


Ryža. 7. Smer reťazcov molekuly DNA a spojenie dusíkatých báz pomocou vodíkových väzieb

REPLIKÁCIA DNA

replikácia DNA je proces duplikácie molekuly DNA pomocou syntéza matrice. Vo väčšine prípadov prirodzenej replikácie DNAprimerpre syntézu DNA je krátky úryvok (vytvorené znova). Takýto ribonukleotidový primér je vytvorený enzýmom primáza (DNA primáza u prokaryotov, DNA polymeráza u eukaryotov) a následne je nahradený deoxyribonukleotidovou polymerázou, ktorá za normálnych okolností vykonáva reparačné funkcie (opravuje chemické poškodenie a zlomy v molekule DNA).

Replikácia prebieha polokonzervatívnym spôsobom. To znamená, že dvojitá špirála DNA sa rozvinie a na každom z jej reťazcov sa dokončuje nový reťazec podľa princípu komplementarity. Dcérska molekula DNA teda obsahuje jedno vlákno z rodičovskej molekuly a jedno novosyntetizované. Replikácia prebieha v smere od 3' do 5' materského vlákna.

Ryža. 8. Replikácia (zdvojenie) molekuly DNA

syntéza DNA- nejde o taký zložitý proces, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Ak o tom premýšľate, musíte najprv zistiť, čo je syntéza. Je to proces spájania niečoho. Tvorba novej molekuly DNA prebieha v niekoľkých fázach:

1) DNA topoizomeráza, umiestnená pred replikačnou vidlicou, štiepi DNA, aby sa uľahčilo jej odvíjanie a odvíjanie.
2) DNA helikáza, ktorá nasleduje po topoizomeráze, ovplyvňuje proces „rozvíjania“ špirály DNA.
3) Proteíny viažuce DNA vykonávajú väzbu reťazcov DNA a tiež vykonávajú ich stabilizáciu, čím bránia ich vzájomnému zlepeniu.
4) DNA polymeráza 5(delta) , koordinovaný s rýchlosťou pohybu replikačnej vidlice, vykonáva syntézuvedeniereťaze dcérska spoločnosť DNA v smere 5" → 3" na matrici materská reťazcov DNA v smere od jej 3" konca po 5" koniec (rýchlosť až 100 párov báz za sekundu). Tieto udalosti o tomto materská reťazce DNA sú obmedzené.



Ryža. 9. Schematické znázornenie procesu replikácie DNA: (1) Lagging reťazec (lag reťazec), (2) Vedúci reťazec (vedúci reťazec), (3) DNA polymeráza α (Pola), (4) DNA ligáza, (5) RNA -primér, (6) Primáza, (7) Okazakiho fragment, (8) DNA polymeráza δ (Polδ ), (9) Helikáza, (10) Jednovláknové proteíny viažuce DNA, (11) Topoizomeráza.

Syntéza zaostávajúceho dcérskeho reťazca DNA je opísaná nižšie (pozri nižšie). schémy replikačná vidlica a funkcie replikačných enzýmov)

Viac informácií o replikácii DNA nájdete na

5) Ihneď po rozvinutí a stabilizácii ďalšieho vlákna materskej molekuly sa spojíDNA polymeráza α(alfa)a v smere 5 "→3" syntetizuje primer (RNA primer) - sekvenciu RNA na templáte DNA s dĺžkou 10 až 200 nukleotidov. Potom enzýmodstránené z reťazca DNA.

Namiesto DNA polymerázaα pripevnený k 3" koncu základného náteru DNA polymerázaε .

6) DNA polymerázaε (epsilon) ako keby pokračovalo v predlžovaní základného náteru, ale ako podklad sa vložídeoxyribonukleotidy(v množstve 150-200 nukleotidov). Výsledkom je pevná niť z dvoch častí -RNA(t.j. základný náter) a DNA. DNA polymeráza εfunguje, kým nenarazí na základný náter predchádzajúcehofragment Okazaki(syntetizované o niečo skôr). Tento enzým je potom odstránený z reťazca.

7) DNA polymeráza β(beta) stojí na miesteDNA polymerázy ε,sa pohybuje rovnakým smerom (5" → 3") a odstraňuje primérové ​​ribonukleotidy, pričom na ich miesto vkladá deoxyribonukleotidy. Enzým pôsobí až do úplného odstránenia základného náteru, t.j. až po deoxyribonukleotid (ešte viac predtým syntetizovaných).DNA polymeráza ε). Enzým nie je schopný prepojiť výsledok svojej práce a DNA vpredu, preto opúšťa reťazec.

Výsledkom je, že fragment dcérskej DNA "leží" na matrici materského vlákna. To sa nazývafragment Okazaki.

8) DNA ligáza liguje dve susedné úlomky Okazaki , t.j. 5 "-koniec segmentu, syntetizovanýDNA polymeráza ε,a 3" vstavaný koniec reťazeDNA polymerázaβ .

ŠTRUKTÚRA RNA

Ribonukleová kyselina(RNA) je jednou z troch hlavných makromolekúl (ďalšie dve sú DNA a proteíny), ktoré sa nachádzajú v bunkách všetkých živých organizmov.

Rovnako ako DNA, RNA sa skladá z dlhého reťazca, v ktorom je každý článok nazývaný nukleotid. Každý nukleotid sa skladá z dusíkatej bázy, ribózového cukru a fosfátovej skupiny. Avšak na rozdiel od DNA má RNA zvyčajne skôr jeden ako dva vlákna. Pentóza v RNA je reprezentovaná ribózou, nie deoxyribózou (ribóza má ďalšiu hydroxylovú skupinu na druhom atóme uhľohydrátu). Nakoniec sa DNA líši od RNA v zložení dusíkatých báz: namiesto tymínu ( T) uracil je prítomný v RNA ( U) , ktorý je tiež komplementárny k adenínu.

Sekvencia nukleotidov umožňuje RNA kódovať genetickú informáciu. Všetky bunkové organizmy používajú RNA (mRNA) na programovanie syntézy bielkovín.

Bunkové RNA sa tvoria v procese tzv prepis to znamená syntéza RNA na šablóne DNA, ktorú vykonávajú špeciálne enzýmy - RNA polymerázy.

Messenger RNA (mRNA) sa potom zúčastňujú procesu tzv vysielať, tie. syntéza proteínov na templáte mRNA za účasti ribozómov. Ostatné RNA po transkripcii prechádzajú chemickými úpravami a po vytvorení sekundárnych a terciárnych štruktúr vykonávajú funkcie, ktoré závisia od typu RNA.

Ryža. 10. Rozdiel medzi DNA a RNA z hľadiska dusíkatej bázy: namiesto tymínu (T) obsahuje RNA uracil (U), ktorý je tiež komplementárny k adenínu.

PREPIS

Toto je proces syntézy RNA na templáte DNA. DNA sa odvíja na jednom z miest. Jeden z reťazcov obsahuje informácie, ktoré je potrebné skopírovať do molekuly RNA – tento reťazec sa nazýva kódovanie. Druhé vlákno DNA, ktoré je komplementárne ku kódovaciemu vláknu, sa nazýva templátové vlákno. V procese transkripcie na templátovom reťazci v smere 3'-5' (pozdĺž reťazca DNA) sa syntetizuje k nemu komplementárny reťazec RNA. Tak sa vytvorí kópia RNA kódujúceho vlákna.

Ryža. 11. Schematické znázornenie transkripcie

Napríklad, ak dostaneme sekvenciu kódujúceho reťazca

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

potom, podľa pravidla komplementarity, matricový reťazec ponesie sekvenciu

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

a z nej syntetizovaná RNA je sekvencia

VYSIELAŤ

Zvážte mechanizmus Syntézy bielkovín na matrici RNA, ako aj genetický kód a jeho vlastnosti. Pre prehľadnosť vám na nižšie uvedenom odkaze odporúčame pozrieť si krátke video o procesoch transkripcie a prekladu prebiehajúcich v živej bunke:

Ryža. 12. Proces syntézy bielkovín: DNA kóduje RNA, RNA kóduje proteín

GENETICKÝ KÓD

Genetický kód- spôsob kódovania aminokyselinovej sekvencie proteínov pomocou sekvencie nukleotidov. Každá aminokyselina je kódovaná sekvenciou troch nukleotidov – kodónom alebo tripletom.

Genetický kód spoločný pre väčšinu pro- a eukaryotov. Tabuľka uvádza všetkých 64 kodónov a zoznam zodpovedajúcich aminokyselín. Poradie báz je od 5" do 3" konca mRNA.

Tabuľka 1. Štandardný genetický kód

1
základ

nie

2. základ

3
základ

nie

U

C

A

G

U

U U U

(Phe/F)

U C U

(Ser/S)

U A U

(Tyr/Y)

U G U

(Cys/C)

U

U U C

U C C

U A C

U G C

C

U U A

(Leu/L)

U C A

U A A

Stop kodón**

U G A

Stop kodón**

A

U U G

U C G

U A G

Stop kodón**

U G G

(Trp/W)

G

C

C U U

C C U

(Pro/P)

C A U

(Jeho/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

(Splnené/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

Medzi trojicami sú 4 špeciálne sekvencie, ktoré fungujú ako „interpunkčné znamienka“:

  • *Trojička AUG, tiež kódujúci metionín, sa nazýva štartovací kodón. Tento kodón začína syntézu molekuly proteínu. Počas syntézy bielkovín bude teda prvou aminokyselinou v sekvencii vždy metionín.
  • **Trojčatá UAA, UAG A UGA volal stop kodóny a nekódujú žiadne aminokyseliny. V týchto sekvenciách sa syntéza bielkovín zastaví.

Vlastnosti genetický kód

1. Trojpočetnosť. Každá aminokyselina je kódovaná sekvenciou troch nukleotidov – triplet alebo kodón.

2. Kontinuita. Medzi tripletmi nie sú žiadne ďalšie nukleotidy, informácie sa čítajú nepretržite.

3. Neprekrývajúce sa. Jeden nukleotid nemôže byť súčasťou dvoch tripletov súčasne.

4. Jedinečnosť. Jeden kodón môže kódovať iba jednu aminokyselinu.

5. Degenerácia. Jedna aminokyselina môže byť kódovaná niekoľkými rôznymi kodónmi.

6. Všestrannosť. Genetický kód je rovnaký pre všetky živé organizmy.

Príklad. Je nám daná sekvencia kódujúceho reťazca:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Maticový reťazec bude mať postupnosť:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Teraz „syntetizujeme“ informačnú RNA z tohto reťazca:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Syntéza bielkovín ide v smere 5' → 3', preto musíme prevrátiť sekvenciu, aby sme „prečítali“ genetický kód:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Teraz nájdite štartovací kodón AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Rozdeľte postupnosť do trojíc:

znie takto: informácie z DNA sa prenesú do RNA (transkripcia), z RNA do proteínu (preklad). DNA možno duplikovať aj replikáciou a možný je aj proces reverznej transkripcie, keď sa DNA syntetizuje z RNA templátu, ale takýto proces je charakteristický hlavne pre vírusy.


Ryža. 13. centrálna dogma molekulárna biológia

GENOM: GÉNY A CHROMOZÓMY

(všeobecné pojmy)

Genóm - súhrn všetkých génov organizmu; jeho kompletná sada chromozómov.

Pojem „genóm“ navrhol G. Winkler v roku 1920 na opis všetkých génov obsiahnutých v haploidnom súbore chromozómov organizmov rovnakého biologického druhu. Pôvodný význam tohto termínu naznačoval, že koncept genómu, na rozdiel od genotypu, je genetickou charakteristikou druhu ako celku, a nie jednotlivca. S rozvojom molekulárnej genetiky sa význam tohto pojmu zmenil. Je známe, že DNA, ktorá je nositeľom genetickej informácie vo väčšine organizmov, a teda tvorí základ genómu, zahŕňa nielen gény v modernom zmysle slova. Väčšinu DNA eukaryotických buniek predstavujú nekódujúce („nadbytočné“) nukleotidové sekvencie, ktoré neobsahujú informácie o proteínoch a nukleových kyselinách. Hlavnou časťou genómu každého organizmu je teda celá DNA jeho haploidnej sady chromozómov.

Gény sú segmenty molekúl DNA, ktoré kódujú polypeptidy a molekuly RNA.

V priebehu minulého storočia sa naše chápanie génov výrazne zmenilo. Predtým bol genóm oblasťou chromozómu, ktorá kóduje alebo určuje jeden znak, resp. fenotypový(viditeľná) vlastnosť, ako je farba očí.

V roku 1940 George Beadle a Edward Tatham navrhli molekulárnu definíciu génu. Vedci spracovali spóry húb Neurospora crassa röntgenových lúčov a iných agentov spôsobujúce zmenu v sekvencii DNA ( mutácie), a našli mutantné kmene húb, ktoré stratili niektoré špecifické enzýmy, čo v niektorých prípadoch viedlo k narušeniu celého metabolická dráha. Beadle a Tatham dospeli k záveru, že gén je časť genetického materiálu, ktorá definuje alebo kóduje jeden enzým. Takto vychádza hypotéza "jeden gén, jeden enzým". Tento pojem bol neskôr rozšírený na definíciu "jeden gén - jeden polypeptid" pretože mnohé gény kódujú proteíny, ktoré nie sú enzýmami, a polypeptid môže byť podjednotkou komplexného proteínového komplexu.

Na obr. 14 ukazuje diagram, ako DNA triplety určujú polypeptid, aminokyselinovú sekvenciu proteínu, sprostredkovanú mRNA. Jedno z reťazcov DNA hrá úlohu templátu pre syntézu mRNA, ktorej nukleotidové triplety (kodóny) sú komplementárne k DNA tripletom. U niektorých baktérií a mnohých eukaryotov sú kódujúce sekvencie prerušené nekódujúcimi oblasťami (tzv. intróny).

Moderná biochemická definícia génu ešte konkrétnejšie. Gény sú všetky úseky DNA, ktoré kódujú primárnu sekvenciu konečných produktov, ktoré zahŕňajú polypeptidy alebo RNA, ktoré majú štrukturálnu alebo katalytickú funkciu.

Spolu s génmi obsahuje DNA aj ďalšie sekvencie, ktoré plnia výlučne regulačnú funkciu. Regulačné sekvencie môže označovať začiatok alebo koniec génov, ovplyvniť transkripciu alebo indikovať miesto iniciácie replikácie alebo rekombinácie. Niektoré gény môžu byť vyjadrené rôznymi spôsobmi, pričom rovnaký kus DNA slúži ako templát na tvorbu rôznych produktov.

Môžeme približne vypočítať minimálna veľkosť génu kódujúce medziproduktový proteín. Každá aminokyselina v polypeptidovom reťazci je kódovaná sekvenciou troch nukleotidov; sekvencie týchto tripletov (kodónov) zodpovedajú reťazcu aminokyselín v polypeptide kódovanom daným génom. Polypeptidový reťazec s 350 aminokyselinovými zvyškami (stredne dlhý reťazec) zodpovedá sekvencii 1050 bp. ( bp). Mnohé eukaryotické gény a niektoré prokaryotické gény sú však prerušené segmentmi DNA, ktoré nenesú informácie o proteíne, a preto sú oveľa dlhšie, ako ukazuje jednoduchý výpočet.

Koľko génov je na jednom chromozóme?


Ryža. 15. Pohľad na chromozómy v prokaryotických (vľavo) a eukaryotických bunkách. Históny sú širokou triedou jadrových proteínov, ktoré vykonávajú dve hlavné funkcie: podieľajú sa na balení reťazcov DNA v jadre a na epigenetickej regulácii jadrových procesov, ako je transkripcia, replikácia a oprava.

Ako viete, bakteriálne bunky majú chromozóm vo forme reťazca DNA, zabaleného do kompaktnej štruktúry - nukleoidu. prokaryotický chromozóm Escherichia coli, ktorej genóm je úplne dekódovaný, je kruhová molekula DNA (v skutočnosti to nie je pravidelný kruh, ale skôr slučka bez začiatku a konca), pozostávajúca z 4 639 675 bp. Táto sekvencia obsahuje približne 4300 proteínových génov a ďalších 157 génov pre stabilné molekuly RNA. IN ľudský genóm približne 3,1 miliardy párov báz, čo zodpovedá takmer 29 000 génom umiestneným na 24 rôznych chromozómoch.

Prokaryoty (baktérie).

Baktéria E. coli má jednu dvojvláknovú kruhovú molekulu DNA. Pozostáva z 4 639 675 b.p. a dosahuje dĺžku približne 1,7 mm, čo presahuje dĺžku samotnej bunky E. coli asi 850 krát. Okrem veľkého kruhového chromozómu ako súčasti nukleoidu mnohé baktérie obsahujú jednu alebo viac malých kruhových molekúl DNA, ktoré sú voľne umiestnené v cytosóle. Tieto extrachromozomálne prvky sa nazývajú plazmidy(obr. 16).

Väčšina plazmidov pozostáva len z niekoľkých tisíc párov báz, niektoré obsahujú viac ako 10 000 bp. Nesú genetickú informáciu a replikujú sa za vzniku dcérskych plazmidov, ktoré sa dostávajú do dcérskych buniek pri delení rodičovskej bunky. Plazmidy sa nachádzajú nielen v baktériách, ale aj v kvasinkách a iných hubách. V mnohých prípadoch plazmidy neponúkajú hostiteľským bunkám žiadnu výhodu a ich jedinou úlohou je reprodukovať sa nezávisle. Niektoré plazmidy však nesú gény užitočné pre hostiteľa. Napríklad gény obsiahnuté v plazmidoch môžu poskytnúť rezistenciu na antibakteriálne činidlá v bakteriálnych bunkách. Plazmidy nesúce gén β-laktamázy prepožičiavajú rezistenciu na β-laktámové antibiotiká, ako je penicilín a amoxicilín. Plazmidy môžu prechádzať z buniek rezistentných na antibiotiká do iných buniek rovnakého alebo odlišného bakteriálneho druhu, čo spôsobuje, že tieto bunky sa tiež stanú odolnými. Intenzívne používanie antibiotík je silným selektívnym faktorom, ktorý podporuje šírenie plazmidov kódujúcich antibiotickú rezistenciu (ako aj transpozónov kódujúcich podobné gény) medzi patogénnymi baktériami a vedie k vzniku bakteriálnych kmeňov s rezistenciou na viaceré antibiotiká. Lekári začínajú chápať nebezpečenstvo rozšíreného používania antibiotík a predpisujú ich len v nevyhnutných prípadoch. Z podobných dôvodov je rozšírené používanie antibiotík na liečbu hospodárskych zvierat obmedzené.

Pozri tiež: Ravin N.V., Shestakov S.V. Genóm prokaryotov // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. No. 4/2. 972-984.

Eukaryoty.

Tabuľka 2. DNA, gény a chromozómy niektorých organizmov

zdieľaná DNA,

b.s.

Počet chromozómov*

Približný počet génov

Escherichia coli(baktéria)

4 639 675

4 435

Saccharomyces cerevisiae(droždie)

12 080 000

16**

5 860

Caenorhabditis elegans(háďatko)

90 269 800

12***

23 000

Arabidopsis thaliana(rastlina)

119 186 200

33 000

Drosophila melanogaster(ovocná muška)

120 367 260

20 000

Oryza sativa(ryža)

480 000 000

57 000

Mus sval(myš)

2 634 266 500

27 000

Homo sapiens(človek)

3 070 128 600

29 000

Poznámka. Informácie sú neustále aktualizované; Viac aktuálnych informácií nájdete na webových stránkach jednotlivých genomických projektov.

* Pre všetky eukaryoty, okrem kvasiniek, je uvedený diploidný súbor chromozómov. diploidný súprava chromozómy (z gréčtiny diploos - dvojitý a eidos - pohľad) - dvojitá sada chromozómov (2n), z ktorých každý má jeden homológny.
**Haploidná sada. Divoké kmene kvasiniek majú zvyčajne osem (oktaploidných) alebo viac sád týchto chromozómov.
***Pre ženy s dvoma X chromozómami. Muži majú chromozóm X, ale nemajú chromozóm Y, t.j. iba 11 chromozómov.

Kvasinková bunka, jedno z najmenších eukaryotov, má 2,6-krát viac DNA ako bunka E. coli(Tabuľka 2). bunky ovocných mušiek Drosophila, klasický objekt genetického výskumu, obsahuje 35-krát viac DNA a ľudské bunky obsahujú asi 700-krát viac DNA ako bunky E. coli. Mnohé rastliny a obojživelníky obsahujú ešte viac DNA. Genetický materiál eukaryotických buniek je organizovaný vo forme chromozómov. Diploidná sada chromozómov (2 n) závisí od typu organizmu (tabuľka 2).

Napríklad v ľudskej somatickej bunke je 46 chromozómov ( ryža. 17). Každý chromozóm v eukaryotickej bunke, ako je znázornené na obr. 17, A obsahuje jednu veľmi veľkú molekulu dvojvláknovej DNA. Dvadsaťštyri ľudských chromozómov (22 párových chromozómov a dva pohlavné chromozómy X a Y) sa líši v dĺžke viac ako 25-krát. Každý eukaryotický chromozóm obsahuje špecifický súbor génov.


Ryža. 17. eukaryotické chromozómy.A- pár spojených a kondenzovaných sesterských chromatíd z ľudského chromozómu. V tejto forme zostávajú eukaryotické chromozómy po replikácii a v metafáze počas mitózy. b- kompletný súbor chromozómov z leukocytu jedného z autorov knihy. Každá normálna ľudská somatická bunka obsahuje 46 chromozómov.

Ak sú molekuly DNA spojené dohromady ľudský genóm(22 chromozómov a chromozómov X a Y alebo X a X), dostanete sekvenciu dlhú približne jeden meter. Poznámka: U všetkých cicavcov a iných heterogametických samčích organizmov majú samice dva chromozómy X (XX) a samce jeden chromozóm X a jeden chromozóm Y (XY).

Väčšina ľudských buniek, takže celková dĺžka DNA takýchto buniek je asi 2 m. Dospelý človek má asi 1014 buniek, takže celková dĺžka všetkých molekúl DNA je 2・1011 km. Pre porovnanie, obvod Zeme je 4・10 4 km a vzdialenosť od Zeme k Slnku je 1,5・10 8 km. Takto úžasne kompaktne zabalená DNA je v našich bunkách!

V eukaryotických bunkách sa nachádzajú ďalšie organely obsahujúce DNA – sú to mitochondrie a chloroplasty. Bolo predložených veľa hypotéz týkajúcich sa pôvodu mitochondriálnej a chloroplastovej DNA. Dnes je všeobecne akceptovaný názor, že ide o základy chromozómov starých baktérií, ktoré prenikli do cytoplazmy hostiteľských buniek a stali sa prekurzormi týchto organel. Mitochondriálna DNA kóduje mitochondriálnu tRNA a rRNA, ako aj niekoľko mitochondriálnych proteínov. Viac ako 95 % mitochondriálnych proteínov je kódovaných jadrovou DNA.

ŠTRUKTÚRA GÉNOV

Zvážte štruktúru génu u prokaryotov a eukaryotov, ich podobnosti a rozdiely. Napriek tomu, že gén je úsek DNA kódujúci len jeden proteín alebo RNA, okrem priamej kódujúcej časti obsahuje aj regulačné a iné štruktúrne prvky, ktoré majú odlišnú štruktúru u prokaryotov a eukaryotov.

kódovacia sekvencia- hlavná štruktúrna a funkčná jednotka génu, práve v nej kódujú triplety nukleotidovsekvencia aminokyselín. Začína štartovacím kodónom a končí stop kodónom.

Pred a po kódovacej sekvencii sú netranslatované 5' a 3' sekvencie. Vykonávajú regulačné a pomocné funkcie, napríklad zabezpečujú pristátie ribozómu na mRNA.

Nepreložené a kódujúce sekvencie tvoria jednotku transkripcie – transkribovanú oblasť DNA, teda oblasť DNA, z ktorej sa syntetizuje mRNA.

Terminátor Netranskribovaná oblasť DNA na konci génu, kde sa syntéza RNA zastaví.

Na začiatku gen regulačnej oblasti, ktoré zahŕňa promótor A operátor.

promótor- sekvencia, s ktorou sa polymeráza viaže počas iniciácie transkripcie. Operátor- toto je oblasť, na ktorú sa môžu viazať špeciálne proteíny - represory, čo môže znížiť aktivitu syntézy RNA z tohto génu – inými slovami, znížiť ju výraz.

Štruktúra génov v prokaryotoch

Všeobecný plán štruktúry génov u prokaryotov a eukaryotov sa nelíši – oba obsahujú regulačnú oblasť s promótorom a operátorom, transkripčnú jednotku s kódujúcimi a netranslatovanými sekvenciami a terminátor. Organizácia génov u prokaryotov a eukaryotov je však odlišná.

Ryža. 18. Schéma štruktúry génu u prokaryotov (baktérií) -obrázok sa zväčší

Na začiatku a na konci operónu sú spoločné regulačné oblasti pre niekoľko štruktúrnych génov. Z transkribovanej oblasti operónu sa načíta jedna molekula mRNA, ktorá obsahuje niekoľko kódujúcich sekvencií, z ktorých každá má svoj vlastný štart a stop kodón. Z každej z týchto oblastísyntetizuje sa jeden proteín. teda Z jednej i-RNA molekuly sa syntetizuje niekoľko proteínových molekúl.

Prokaryoty sa vyznačujú kombináciou niekoľkých génov do jednej funkčnej jednotky - operón. Práca operónu môže byť regulovaná inými génmi, ktoré môžu byť výrazne odstránené zo samotného operónu - regulátorov. Proteín preložený z tohto génu je tzv represor. Viaže sa na operátora operónu, pričom reguluje expresiu všetkých v ňom obsiahnutých génov naraz.

Tento jav sa vyznačuje aj prokaryotmi transkripčné a translačné konjugácie.


Ryža. 19 Fenomén konjugácie transkripcie a translácie u prokaryotov - obrázok sa zväčší

Toto párovanie sa nevyskytuje u eukaryotov v dôsledku prítomnosti jadrovej membrány, ktorá oddeľuje cytoplazmu, kde dochádza k translácii, od genetického materiálu, na ktorom dochádza k transkripcii. U prokaryotov sa počas syntézy RNA na templáte DNA môže ribozóm okamžite naviazať na syntetizovanú molekulu RNA. Preklad teda začína ešte pred dokončením prepisu. Okrem toho sa niekoľko ribozómov môže súčasne viazať na jednu molekulu RNA a syntetizovať niekoľko molekúl jedného proteínu naraz.

Štruktúra génov v eukaryotoch

Gény a chromozómy eukaryotov sú veľmi zložito organizované.

Baktérie mnohých druhov majú iba jeden chromozóm a takmer vo všetkých prípadoch je na každom chromozóme jedna kópia každého génu. Len niekoľko génov, ako sú gény rRNA, je obsiahnutých vo viacerých kópiách. Gény a regulačné sekvencie tvoria takmer celý genóm prokaryotov. Okrem toho takmer každý gén presne zodpovedá sekvencii aminokyselín (alebo sekvencii RNA), ktorú kóduje (obr. 14).

Štrukturálna a funkčná organizácia eukaryotických génov je oveľa zložitejšia. Štúdium eukaryotických chromozómov a neskoršie sekvenovanie úplné sekvencie eukaryotické genómy priniesli mnohé prekvapenia. Mnoho, ak nie väčšina, eukaryotických génov má zaujímavá vlastnosť: ich nukleotidové sekvencie obsahujú jednu alebo viac oblastí DNA, ktoré nekódujú aminokyselinovú sekvenciu polypeptidového produktu. Takéto nepreložené vložky porušujú priamu korešpondenciu medzi nimi nukleotidová sekvencia gén a aminokyselinová sekvencia kódovaného polypeptidu. Tieto nepreložené segmenty v génoch sa nazývajú intróny, alebo vstavaný sekvencie a kódovacie segmenty sú exóny. U prokaryotov obsahuje intróny iba niekoľko génov.

Takže v eukaryotoch prakticky neexistuje žiadna kombinácia génov do operónov a kódujúca sekvencia eukaryotického génu je najčastejšie rozdelená na translatované oblasti. - exóny a nepreložené sekcie - intróny.

Vo väčšine prípadov funkcia intrónov nebola stanovená. Vo všeobecnosti len asi 1,5 % ľudskej DNA „kóduje“, to znamená, že nesie informácie o proteínoch alebo RNA. Ak však vezmeme do úvahy veľké intróny, ukazuje sa, že 30 % ľudskej DNA tvoria gény. Keďže gény tvoria relatívne malú časť ľudského genómu, značné množstvo DNA zostáva nevysvetlené.

Ryža. 16. Schéma štruktúry génu u eukaryotov - obrázok sa zväčší

Z každého génu sa najskôr syntetizuje nezrelá alebo pre-RNA, ktorá obsahuje intróny aj exóny.

Potom nastáva proces zostrihu, v dôsledku ktorého sa vystrihnú oblasti intrónu a vytvorí sa zrelá mRNA, z ktorej možno syntetizovať proteín.


Ryža. 20. Alternatívny proces spájania - obrázok sa zväčší

Takáto organizácia génov umožňuje napríklad, keď sa z jedného génu môžu syntetizovať rôzne formy proteínu, a to vďaka skutočnosti, že exóny môžu byť počas zostrihu fúzované v rôznych sekvenciách.

Ryža. 21. Rozdiely v štruktúre génov prokaryotov a eukaryotov - obrázok sa zväčší

MUTÁCIE A MUTAGENÉZA

mutácia nazývaná pretrvávajúca zmena genotypu, teda zmena nukleotidovej sekvencie.

Proces, ktorý vedie k mutácii, sa nazýva mutagenéza a organizmus Všetky ktorých bunky nesú rovnakú mutáciu mutant.

teória mutácií prvýkrát ju sformuloval Hugh de Vries v roku 1903. Jeho moderná verzia obsahuje nasledujúce ustanovenia:

1. Mutácie sa vyskytujú náhle, náhle.

2. Mutácie sa dedia z generácie na generáciu.

3. Mutácie môžu byť prospešné, škodlivé alebo neutrálne, dominantné alebo recesívne.

4. Pravdepodobnosť detekcie mutácií závisí od počtu skúmaných jedincov.

5. Podobné mutácie sa môžu vyskytovať opakovane.

6. Mutácie nie sú riadené.

Mutácie môžu byť spôsobené rôznych faktorov. Rozlišujte medzi mutáciami spôsobenými mutagénne dopady: fyzikálne (napr. ultrafialové alebo žiarenie), chemické (napr. kolchicín alebo reaktívne formy kyslíka) a biologické (napr. vírusy). Môžu byť spôsobené aj mutácie chyby replikácie.

V závislosti od podmienok pre výskyt mutácií sa delia na spontánna- teda mutácie, ktoré vznikli v normálnych podmienkach, A vyvolané- teda mutácie, ktoré vznikli za špeciálnych podmienok.

Mutácie môžu nastať nielen v jadrovej DNA, ale napríklad aj v DNA mitochondrií alebo plastidov. Podľa toho môžeme rozlišovať jadrové A cytoplazmatický mutácie.

V dôsledku výskytu mutácií sa často môžu objaviť nové alely. Ak mutantná alela prepíše normálnu alelu, nazýva sa mutácia dominantný. Ak normálna alela potláča zmutovanú, mutácia sa nazýva recesívny. Väčšina mutácií, ktoré vedú k vzniku nových alel, je recesívna.

Mutácie sa rozlišujú podľa účinku adaptívnyčo vedie k zvýšeniu adaptability organizmu na prostredie, neutrálny ktoré neovplyvňujú prežitie škodlivé ktoré znižujú adaptabilitu organizmov na podmienky prostredia a smrteľnýčo vedie k smrti organizmu v počiatočných štádiách vývoja.

Podľa dôsledkov sa rozlišujú mutácie vedúce k strata funkcie bielkovín, mutácie vedúce k vznik proteín má novú funkciu, ako aj mutácie, ktoré zmeniť dávku génu a podľa toho aj dávka proteínu syntetizovaného z neho.

Mutácia sa môže vyskytnúť v ktorejkoľvek bunke tela. Ak dôjde k mutácii v zárodočnej bunke, ide o tzv zárodočný(zárodočné alebo generatívne). Takéto mutácie sa nevyskytujú v organizme, v ktorom sa objavili, ale vedú k objaveniu sa mutantov u potomstva a sú zdedené, takže sú dôležité pre genetiku a evolúciu. Ak sa mutácia vyskytne v akejkoľvek inej bunke, ide o tzv somatická. Takáto mutácia sa môže do určitej miery prejaviť v organizme, v ktorom vznikla, viesť napríklad k vzniku rakovinových nádorov. Takáto mutácia sa však nededí a neovplyvňuje potomstvo.

Mutácie môžu ovplyvniť časti genómu rôznych veľkostí. Prideliť genetický, chromozomálne A genomický mutácie.

Génové mutácie

Mutácie, ktoré sa vyskytujú v mierke menšej ako jeden gén, sa nazývajú genetický, alebo bodkovaný (bodkovaný). Takéto mutácie vedú k zmene jedného alebo viacerých nukleotidov v sekvencii. Medzi génové mutácie patriasubstitúciečo vedie k nahradeniu jedného nukleotidu iným,vymazaniačo vedie k strate jedného z nukleotidov,vloženiačo vedie k pridaniu ďalšieho nukleotidu do sekvencie.


Ryža. 23. Génové (bodové) mutácie

Podľa mechanizmu účinku na proteín sa génové mutácie delia na:synonymný ktoré (v dôsledku degenerácie genetického kódu) nevedú k zmene zloženia aminokyselín proteínového produktu,missense mutácie ktoré vedú k nahradeniu jednej aminokyseliny inou a môžu ovplyvniť štruktúru syntetizovaného proteínu, hoci sú často nevýznamné,nezmyselné mutáciečo vedie k nahradeniu kódujúceho kodónu stop kodónom,mutácie vedúce k porucha zostrihu:


Ryža. 24. Mutačné schémy

Tiež podľa mechanizmu účinku na proteín sa izolujú mutácie, ktoré vedú k posun rámu čítania ako sú vloženia a vymazania. Takéto mutácie, ako napríklad nezmyselné mutácie, hoci sa vyskytujú v jednom bode génu, často ovplyvňujú celú štruktúru proteínu, čo môže viesť k úplnej zmene jeho štruktúry.

Ryža. 29. Chromozóm pred a po duplikácii

Genomické mutácie

nakoniec genómové mutácie ovplyvňujú celý genóm, to znamená, že sa mení počet chromozómov. Rozlišuje sa polyploidia - zvýšenie ploidie bunky a aneuploidia, to znamená zmena počtu chromozómov, napríklad trizómia (prítomnosť ďalšieho homológu v jednom z chromozómov) a monozómia (neprítomnosť chromozómov). homológ v chromozóme).

Video súvisiace s DNA

REPLIKÁCIA DNA, KÓDOVANIE RNA, SYNTÉZA PROTEÍNOV

Čítať:
  1. APUD - SYSTÉM (ŠTRUKTURÁLNA A FUNKČNÁ ORGANIZÁCIA, BIOLOGICKÝ VÝZNAM V NORMÁCH A PATOLÓGII)
  2. II. Organizácia chirurgickej služby v Rusku. Hlavné typy chirurgických inštitúcií. Zásady organizácie práce chirurgického oddelenia.
  3. III. Lekárska psychológia; liečba duševných porúch; organizáciu psychiatrickej starostlivosti.
  4. III. Podľa zmeny genetického materiálu sa mutácie delia na: génové, chromozomálne prestavby, genómové.
  5. IV. Organizácia a realizácia protiepidemických proticholerových opatrení

Dedičnosť a variabilita je zabezpečená fungovaním špeciálneho materiálového substrátu - genetický aparát.

V súčasnej fáze idey o prírode umožňujú rozlišovať nasledujúce úrovne štrukturálnej a funkčnej organizácie dedičného materiálu:

gén;

chromozomálne;

genomický.

elementárna štruktúra génovej úrovni organizácia je gén. Gény sú na sebe relatívne nezávislé, preto je možná diskrétna (oddelená) a nezávislá dedičnosť (tretí Mendelov zákon) a zmeny (mutácie) jednotlivých znakov.

Gény eukaryotických buniek sa nachádzajú v chromozómov, poskytovanie úrovni chromozómov organizácia dedičného materiálu. Gény na tom istom chromozóme tvoria spojovaciu skupinu a zvyčajne sa prenášajú spoločne. Táto úroveň organizácie je nevyhnutnou podmienkou pre spojenie génov a redistribúciu rodičovských génov u potomstva počas sexuálneho rozmnožovania (prekríženie a náhodná divergencia chromozómov a chromatíd k pólom počas meiózy).

Celý súbor génov organizmu sa funkčne správa ako celok a tvorí jeden systém tzv genotyp (genóm). Ten istý gén v rôznych genotypoch sa môže prejavovať rôznymi spôsobmi. Genomická úroveň Organizácia vysvetľuje intra- a interalelickú interakciu génov umiestnených na rovnakých aj na rôznych chromozómoch.

Termín " genóm" Výraz "kompletné zloženie DNA bunky", to znamená súhrn všetkých génov a intergénových oblastí.

Organizácia ľudského genómu(ako každý eukaryotický druh) je sekvenčná hierarchia prvkov:

nukleotidy;

Gény s intergénnymi oblasťami;

komplexné gény;

Ramená chromozómov;

chromozómy;

Haploidná sada spolu s mimojadrovou DNA.

Začiatkom 50-tych rokov sa to dokázalo elementárna funkčná jednotka dedičnosti a premenlivosti, ktorý určuje možnosť rozvoja určitého znaku bunky alebo organizmu, je gén , ktorý má určitú štrukturálnu a funkčnú organizáciu.

Evolúcia pojmu „gén“. Samostatné informácie o dedičnosti znakov sú známe už veľmi dlho, ale vzorce ich prenosu prvýkrát načrtol G. Mendel v roku 1865 vo svojej práci: „Experiments on Plant Hybrids“. Súčasníci jeho objavu nepripisovali význam. Pojem „gén“ v tom čase ešte neexistoval a G. Mendel hovoril o „dedičných sklonoch“ obsiahnutých v zárodočných bunkách, ktorých povaha nebola známa.

V roku 1900 samostatne G. de Vries (Holandsko), E. Cermak (Rakúsko) a K. Correns (Nemecko) znovu objavil zákony G. Mendel. Tento rok sa považuje za rok narodenia genetiky ako vedy. V roku 1902 T. Boveri, E. Wilson a D. Setton navrhol vzťah dedičných faktorov s chromozómami. V roku 1906 W. Batson vymyslel termín „genetika“ a v roku 1909 V. Johansen- "gén". V roku 1911 T. Morgan a zamestnanci formulovali hlavné ustanovenia chromozómová teória dedičnosť.

Na začiatku XX storočia. dominovala myšlienka stability a nemennosti génov ( A. Weisman, W. Batson), a ak nastanú zmeny ( G. de Vries), potom spontánne, bez ohľadu na vplyv prostredia. Táto mylná predstava bola vyvrátená získaním indukovaných mutácií G. A. Nadson a G. S. Filippov(1925) na hubách, G. Meller(1927) o Drosophila a I.L. Stadler(1928) o kukurici.

Zároveň existovala myšlienka o nedeliteľnosti génu. Koncom 50. rokov sa však ukázalo, že gén je samostatná jednotka. Pri vykonávaní hlavnej funkcie – programovania syntézy proteínov – pôsobí gén ako integrálna jednotka, ktorej zmena spôsobuje preskupenie štruktúry molekuly proteínu. Benzer túto jednotku nazval cistronóm. Veľkosťou sa približne rovná gen. Diskrétnosť génu spočíva v prítomnosti podjednotiek v ňom. Elementárna jednotka variácie génu, jednotka mutácie, sa nazýva mutón, a jednotka rekombinácie (výmena úsekov homológnych chromozómov v profáze meiózy I) je rekon. Minimálne veľkosti mutónu a rekonu sa rovnajú jednému páru nukleotidov. V súčasnosti sa pár nukleotidov považuje za elementárnu štruktúrnu jednotku génu a kodón sa považuje za funkčnú jednotku.

V 20. rokoch 20. storočia sa zistilo, že chromozómy sa skladajú z bielkovín a nukleových kyselín. V roku 1928 N.K. Kolcov navrhol, že funkcie génov vykonávajú molekuly proteínov a proteíny sú schopné samej reprodukcie. Neskôr sa však ukázalo, že nosičom genetickej informácie je molekula DNA.

Teda , gen je štruktúrna jednotka nukleových kyselín (polynukleotidov) zodpovedná za ukladanie, prenos a implementáciu genetickej informácie. pod pojmom " gén" možno pochopiť sekvenciu nukleotidov v DNA, ktorá určuje určitú funkciu (jednotka morfologickej, fyziologickej, biochemickej, imunologickej, klinickej a akejkoľvek inej diskrétnosti) v tele. Gene predstavuje minimálne množstvo dedičného materiálu, ktorý je nevyhnutný pre syntézu t-RNA, r-RNA alebo peptidu s určitými vlastnosťami. Podľa moderných predstáv, gén- Ide o úsek molekuly DNA, ktorý poskytuje informácie o syntéze konkrétneho polypeptidu alebo nukleovej kyseliny.

V ľudskom genóme je viac ako 30 000 génov. Veľkosť ľudských génov sa veľmi líši, ale väčšina z nich má až 50 000 párov báz. Dosahuje sa prenos génov v sérii generácií buniek alebo organizmov materiálnej postupnosti- Dedenie vlastností od rodičov potomkami.

Vlastnosti génov. Gény sa vyznačujú určitými vlastnosťami:

Ø špecifickosť (každý štruktúrny gén má svoje vlastné poradie nukleotidov a určuje syntézu konkrétneho polypeptidu),

Ø integrita (pri programovaní syntézy polypeptidu sa gén správa ako nedeliteľná jednotka) a diskrétnosť (prítomnosť podjednotiek),

Ø stabilita (relatívne stabilná) a labilita (schopnosť mutovať),

Ø pleiotropia (jeden gén môže byť zodpovedný za prejav viacerých znakov),

Ø expresivita (stupeň fenotypového prejavu) a penetrancia (frekvencia génovej expresie).

Hlavné vlastnosti génu ako funkčnej jednotky materiálu dedičnosti a variability sú určené jeho chemická organizácia .

Štruktúra génu je súbor kodónov, ktoré pozostávajú z troch nukleotidov (tripletový kód). Gén obsahuje informácie o štruktúre proteínu a každý kodón obsahuje informácie o štruktúre aminokyseliny a jej umiestnení v molekule proteínu.

Teraz je známe, že gén má komplex vnútorná štruktúra a jednotlivé sekcie majú rôzne funkcie. V géne sa dá rozlíšiť najväčšia časť, ktorá vlastne určuje štruktúru polypeptidu. Táto časť sa nazýva „cistrón“ a môže byť dlhá desiatky tisíc párov báz. Niektoré gény obsahujú niekoľko cistrónov (polycistrónové alebo štruktúrne gény). Štúdie ukázali, že veľkosť génu je väčšia ako veľkosť polypeptidu. Z toho vyplýva záver, že gén obsahuje nukleotidové sekvencie, ktoré neovplyvňujú štruktúru polypeptidu, ale sú nevyhnutné pre správne fungovanie štruktúrnej časti (štrukturálneho génu). Toto je regulačná časť génu (alebo génového operátora). Operátorový gén riadi aktivitu niekoľkých cistrónových génov a nachádza sa priamo pri nich. Komplex skupiny štruktúrnych génov a operátorového génu tvorí operón. Izoluje sa aj regulačný gén, ktorý pomocou ním produkovanej špeciálnej látky - represora, reguluje činnosť operenca. Represor pôsobiaci na operátorový gén ho inhibuje a znižuje aktivitu s ním spojených cistrónov.

Gény sú spojené do blokov, ktoré tvoria reťazec DNA. Zároveň sú usporiadané v lineárnom poradí, ktoré ďalej určuje vláknitú štruktúru DNA a chromozómov.

Štúdie chemickej povahy dedičného materiálu to nezvratne dokázali materiálnym substrátom dedičnosti a premenlivosti sú nukleových kyselín polyméry, ktoré sa skladajú z nukleotidové monoméry vrátane troch zložiek:

Cukor (pentóza);

dusíkatej báze.

Medzi nukleových kyselín rozlišovať dva typy spojení:

kyselina deoxyribonukleová (DNA);

Ribonukleová kyselina (RNA).

DNA je správcom dedičnej informácie vo všetkých bunkách pro- a eukaryotov (u vírusov môže túto funkciu vykonávať aj molekula RNA); RNA prenáša a implementuje genetickú informáciu.

Kyselina deoxyribonukleová (DNA)- chemicky stabilnejšia zložka, substrát dedičnosti a variability.

Štruktúra molekuly DNA bola dešifrovaná J. Watson, F. Crick a M. Wilkins v roku 1953. Podľa vzoru D. Watson a F. Crick, molekula DNA pozostáva z dvoch navzájom pevne fixovaných a skrútených do dvojzávitnicových antiparalelných (oproti 3 "koncu jedného reťazca je 5" koniec druhého) polynukleotidových reťazcov, ktorých väzby tvoria nukleotidy.

Po prvé, genetický materiál musí byť schopný sebareplikácie v procese rozmnožovania prenášať dedičné informácie, na základe ktorých sa uskutoční tvorba novej generácie. Po druhé, aby sa zabezpečila stabilita charakteristík v niekoľkých generáciách, dedičný materiál si musí zachovať konštantnú organizáciu. Po tretie, materiál dedičnosti a premenlivosti musí byť schopný nadobúdať zmeny a reprodukovať ich, aby umožnil historický vývoj živej hmoty v meniacich sa podmienkach. Len ak spĺňa stanovené požiadavky, môže materiálny substrát dedičnosti a premenlivosti zabezpečiť trvanie a kontinuitu existencie živej prírody a jej evolúcie.

Moderné predstavy o povahe genetického aparátu umožňujú rozlíšiť tri úrovne jeho organizácie: génovú, chromozomálnu a genómovú. Na každom z nich sa prejavujú hlavné vlastnosti materiálu dedičnosť a premenlivosť a určité zákonitosti jeho prenosu a fungovania.

Medzi nukleovými kyselinami sa rozlišujú dva typy zlúčenín: deoxyribonukleové (DNA) a ribonukleové (RNA) kyseliny. Štúdiom zloženia hlavných nosičov dedičného materiálu – chromozómov – sa zistilo, že ich chemicky najstabilnejšou zložkou je DNA, ktorá je substrátom dedičnosti a variability. Štruktúra DNA. Model od J. Watsona a F. Cricka

DNA pozostáva z nukleotidov, ktoré zahŕňajú cukor - deoxyribózu, fosfát a jednu z dusíkatých báz - purín (adenín alebo guanín) alebo pyrimidín (tymín alebo cytozín) Znakom štruktúrnej organizácie DNA je, že jej molekuly zahŕňajú dva polynukleotidové reťazce prepojené v určitom spôsobom. V súlade s trojrozmerným modelom DNA, ktorý v roku 1953 navrhli americký biofyzik J. Watson a anglický biofyzik a genetik F. Crick, sú tieto reťazce navzájom spojené vodíkovými väzbami medzi svojimi dusíkatými bázami podľa princípu komplementarity. Adenín jedného reťazca je spojený dvoma vodíkovými väzbami s tymínom iného reťazca a tri vodíkové väzby sú vytvorené medzi guanínom a cytozínom rôznych reťazcov. Takéto spojenie dusíkatých zásad poskytuje pevné spojenie medzi dvoma reťazcami a udržiava medzi nimi rovnakú vzdialenosť. Hlavná funkcia DNA spočíva v tom, že je určená na uchovávanie a prenos dedičných informácií v pro- a eukaryotických bunkách. Vo vírusoch túto funkciu vykonáva RNA.NA. Štruktúra a štruktúra DNA. vlastnosti DNA.

1. Stabilita. Zabezpečujú ho vodíkové, glykozidické a fosfodiesterové väzby, ako aj mechanizmus opravy spontánnych a indukovaných poškodení;



2. Schopnosť replikácie. Vďaka tomuto mechanizmu je v somatických bunkách zachovaný diploidný počet chromozómov. Schematicky sú všetky uvedené znaky DNA ako genetickej molekuly znázornené na obrázku.

3. Prítomnosť genetického kódu. Sekvencia báz v DNA je konvertovaná procesmi transkripcie a translácie na sekvenciu aminokyselín v polypeptidovom reťazci;
4. Schopnosť genetickej rekombinácie. Vďaka tomuto mechanizmu vznikajú nové kombinácie spojených génov.

Oprava- špeciálna funkcia buniek, ktorá spočíva v schopnosti korigovať chemické poškodenia a zlomy v molekulách DNA poškodených pri normálnej biosyntéze DNA v bunke alebo v dôsledku pôsobenia fyzikálnych alebo chemických látok. Vykonáva sa špeciálnymi enzýmovými systémami bunky. Množstvo dedičných chorôb (napr. xeroderma pigmentosum) je spojených s narušenými opravnými systémami.

replikácia DNA- proces syntézy dcérskej molekuly deoxyribonukleovej kyseliny na matrici materskej molekuly DNA. Pri následnom delení materskej bunky dostane každá dcérska bunka jednu kópiu molekuly DNA, ktorá je identická s DNA pôvodnej materskej bunky. Tento proces zabezpečuje presný prenos genetickej informácie z generácie na generáciu. Replikácia DNA sa uskutočňuje komplexným enzýmovým komplexom, ktorý pozostáva z 15-20 rôznych proteínov, nazývaných replikóm.

Genetický kód- ide o záznam informácií o štruktúre proteínov a polypeptidov v jedinečných oblastiach molekuly DNA. Crick a jeho kolegovia navrhli, aby sa informácie vyjadrovali prostredníctvom blokov – kodónov. Navrhli, aby kodóny obsahovali aspoň 3 nukleotidy. Prečo?V prírode sa našlo 20 rôznych aminokyselín, z ktorých sú všetky bielkoviny skompletizované. Aby bolo možné zakódovať 20 variantov aminokyselín, musí genetický kód obsahovať aspoň 3 nukleotidy, pretože z dvoch nukleotidov je možné kombinovať iba 4 = 16 možností a z troch nukleotidov - 43 = 64 možností. Úplné dekódovanie genetického kódu sa uskutočnilo v 60. rokoch XX storočia. Ukázalo sa, že zo 64 možných variantov tripletov 61 kóduje rôzne aminokyseliny a 3 sú nezmyselné, čiže STOP kodóny: UAG, UAA, UGA kodóny, na ktorých sa zastavuje čítanie dedičnej informácie (obr. 4.6).

Vlastnosti genetického kódu

1. Tripletita: každý kodón obsahuje 3 nukleotidy^

2. Univerzálnosť: všetky živé organizmy, ktoré existujú na Zemi, majú rovnaký genetický kód, ktorý naznačuje jednotu pôvodu všetkého živého. AGA kodón kóduje aminokyselinu arginín u baktérií, ľudí a všetkých živých vecí.

3. degenerácia; 61 tripletov na 20 aminokyselín. Z toho vyplýva, že niektoré aminokyseliny musia byť zakódované niekoľkými tripletmi. Toto je veľmi dôležité, pretože substitúcia nukleotidov nemusí vždy viesť k substitúcii aminokyselín). Napríklad aminokyselina valín je kódovaná tromi tripletmi: GTT, GTC, GTA, GTG.

4. Špecifickosť: každý triplet zodpovedá len 1 aminokyseline: len GTT valín. ATG kodón je štartovací kodón (metionín).

5. Univerzálnosť: všetky živé organizmy, ktoré existujú na Zemi, majú rovnaký genetický kód, ktorý naznačuje jednotu pôvodu všetkého živého. AGA kodón kóduje aminokyselinu arginín u baktérií, ľudí a všetkých živých vecí.

6. ^ Kontinuita a neprekrývanie sa (čítajte bez medzier).

Matrixová alebo informačná RNA (mRNA alebo mRNA). Prepis. Aby sa syntetizovali proteíny s požadovanými vlastnosťami, pošle sa na miesto ich konštrukcie „inštrukcia“ v poradí, v akom sú aminokyseliny zahrnuté v peptidovom reťazci. Táto inštrukcia je obsiahnutá v nukleotidovej sekvencii matrice alebo informačnej RNA (mRNA, mRNA) syntetizovanej na zodpovedajúcich úsekoch DNA. Proces syntézy mRNA sa nazýva transkripcia. Syntéza mRNA začína objavením RNA polymerázy špeciálneho miesta v molekule DNA, ktoré označuje miesto začiatku transkripcie – promótor. Po naviazaní na promótor RNA polymeráza rozvinie susedný závit skrutkovice DNA. Dve vlákna DNA sa v tomto bode rozchádzajú a na jednom z nich enzým syntetizuje mRNA. Zostavenie ribonukleotidov do reťazca prebieha v súlade s ich komplementaritou s nukleotidmi DNA a tiež antiparalelne s reťazcom templátovej DNA. Vzhľadom na skutočnosť, že RNA polymeráza je schopná zostaviť polynukleotid iba od 5' konca po 3' koniec, môže ako templát pre transkripciu slúžiť iba jedno z dvoch reťazcov DNA, a to to, ktoré je privrátené k enzýmu so svojimi 3. ' koniec ( 3" → 5"). Takýto reťazec sa nazýva kodogénny. Antiparalelnosť spojenia dvoch polynukleotidových reťazcov v molekule DNA umožňuje RNA polymeráze správne vybrať templát pre syntézu mRNA.

RNA polymeráza, ktorá sa pohybuje pozdĺž reťazca kodogénnej DNA, vykonáva postupné a presné prepisovanie informácií, až kým nenarazí na špecifickú nukleotidovú sekvenciu - terminátor transkripcie. V tejto oblasti sa RNA polymeráza oddeľuje od templátu DNA aj od novosyntetizovanej mRNA (obr. 3.25). Fragment molekuly DNA vrátane promótora, transkribovanej sekvencie a terminátora tvorí transkripčnú jednotku - transkriptón.

Počas syntézy, keď sa RNA polymeráza pohybuje pozdĺž molekuly DNA, sa jednovláknové úseky DNA, ktorými prešla, opäť spoja do dvojitej špirály. mRNA vytvorená počas transkripcie obsahuje presnú kópiu informácie zaznamenanej v zodpovedajúcej časti DNA. Tri susediace mRNA nukleotidy, ktoré kódujú aminokyseliny, sa nazývajú kodóny. Sekvencia kodónov mRNA kóduje sekvenciu aminokyselín v peptidovom reťazci. Kodóny mRNA zodpovedajú určitým aminokyselinám. Templátom pre transkripciu mRNA je kodogénny reťazec DNA, ktorý je otočený k enzýmu svojim 3" koncom I - detekcia promótorovej oblasti v molekule DNA a rozvinutie špirály DNA; II - iniciácia syntéza reťazca RNA naviazaním prvých dvoch ribonukleozidgryfosfátov; III - predĺženie reťazcov RNA v smere 5" → 3" pripojením ribonukleozidgryfosfátov; IV - uvoľnenie 5" konca syntetizovanej RNA a obnovenie dvojitej DNA špirála; V - koniec syntézy RNA v oblasti terminátora, oddelenie polymerázy od dokončeného reťazca RNA

^ Transfer RNA (tRNA). Vysielanie. Dôležitá úloha v procese využívania dedičnej informácie bunkou patrí k transferovej RNA (tRNA). tRNA dodáva potrebné aminokyseliny do miesta zostavenia peptidových reťazcov a pôsobí ako translačný mediátor. Molekuly TRNA sú polynukleotidové reťazce syntetizované na určitých sekvenciách DNA. Pozostávajú z relatívne malého počtu nukleotidov -75-95. V dôsledku komplementárneho spojenia báz, ktoré sa nachádzajú v rôznych častiach polynukleotidového reťazca tRNA, získava štruktúru tvarom pripomínajúcu ďatelinový list.Má štyri hlavné časti, ktoré plnia rôzne funkcie. Akceptorový „kmeň“ je tvorený dvomi komplementárne spojenými koncovými časťami tRNA. Skladá sa zo siedmich párov báz. 3" koniec tohto kmeňa je o niečo dlhší a tvorí jednovláknovú oblasť, ktorá končí v sekvencii CCA s voľnou OH skupinou. Na tento koniec je pripojená transportovateľná aminokyselina. Zvyšné tri vetvy sú komplementárne spárované nukleotidové sekvencie, ktoré končia v nepárových oblastiach tvoriacich slučku Stred z týchto vetiev - antikodón - pozostáva z piatich párov nukleotidov a v strede svojej slučky obsahuje antikodón. Antikodón sú tri nukleotidy komplementárne ku kodónu mRNA, ktorý kóduje aminokyselinu transportované touto tRNA do miesta syntézy peptidov.

Medzi akceptorovou a antikodónovou vetvou sú dve bočné vetvy. Vo svojich slučkách obsahujú modifikované bázy - dihydrouridín (D-slučka) a TψC triplet, kde \y je pseudouriaín (T^C-slučka). Medzi vetvami aitikodónu a T^C je ďalšia slučka, ktorá obsahuje 3-5 až 13-21 nukleotidov. rôzne druhy tRNA sa vyznačujú určitou stálosťou nukleotidovej sekvencie, ktorá sa najčastejšie skladá zo 76 nukleotidov. Rozdiely v ich počte sú spôsobené najmä zmenou počtu nukleotidov v dodatočnej slučke. Komplementárne oblasti, ktoré podporujú štruktúru tRNA, sú zvyčajne konzervované. Primárna štruktúra tRNA, určená sekvenciou nukleotidov, tvorí sekundárnu štruktúru tRNA, ktorá má tvar ďatelinového listu. Sekundárna štruktúra zase spôsobuje trojrozmernú terciárnu štruktúru, ktorá sa vyznačuje vytvorením dvoch na seba kolmých dvojzávitníc (obr. 3.27). Jednu z nich tvoria akceptorové a TψC vetvy, druhú antikodón a D vetvy.

Na konci jednej z dvojitých špirál je transportovaná aminokyselina, na konci druhej je antikodón. Tieto oblasti sú od seba najvzdialenejšie. Stabilita terciárnej štruktúry tRNA je zachovaná vďaka objaveniu sa ďalších vodíkových väzieb medzi bázami polynukleotidového reťazca umiestnenými v rôznych jeho častiach, ale priestorovo blízko v terciárnej štruktúre.

Rôzne typy tRNA majú podobnú terciárnu štruktúru, aj keď s určitými variáciami.

^ I - sekundárna štruktúra tRNA vo forme "ďateliny", určená jej primárnou štruktúrou (sekvencia nukleotidov v reťazci);

II - dvojrozmerná projekcia terciárnej štruktúry tRNA;

III - rozloženie molekuly tRNA v priestore

Jednou z vlastností tRNA je prítomnosť neobvyklých báz vznikajúcich z chemická modifikácia po zahrnutí normálnej bázy do polynukleotidového reťazca. Tieto zmenené bázy určujú veľkú štrukturálnu diverzitu tRNA vo všeobecnom pláne ich štruktúry. Najväčší záujem sú o modifikácie báz tvoriacich antikodón, ktoré ovplyvňujú špecifickosť jeho interakcie s kodónom. Napríklad atypická báza inozín, niekedy stojaca na 1. pozícii antikodónu tRNA, sa dokáže komplementárne spojiť s tromi rôznymi tretími bázami kodónu mRNA - U, C a A (obr. 3.28). Pretože jednou z vlastností genetického kódu je jeho degenerácia, mnohé aminokyseliny sú zašifrované niekoľkými kodónmi, ktoré sa spravidla líšia svojou treťou bázou. V dôsledku nešpecifickej väzby modifikovanej antikodónovej bázy jedna tRNA rozpoznáva niekoľko synonymných kodónov.

Bola tiež preukázaná existencia niekoľkých typov tRNA schopných viazať sa na rovnaký kodón. Výsledkom je, že v cytoplazme buniek sa nenachádza 61 (podľa počtu kodónov), ale asi 40 rôznych molekúl tRNA. Toto množstvo stačí na transport 20 rôznych aminokyselín do miesta zostavenia proteínu.

Spolu s funkciou presného rozpoznania určitého kodónu v mRNA dodáva molekula tRNA presne definovanú aminokyselinu zašifrovanú týmto kodónom na miesto syntézy peptidového reťazca. Špecifické spojenie tRNA so „svojou“ aminokyselinou prebieha v dvoch fázach a vedie k vzniku zlúčeniny nazývanej aminoacyl-tRNA.V prvej fáze sa aminokyselina aktivuje interakciou s jej karboxylovou skupinou s ATP. V dôsledku toho sa vytvorí adipylovaná aminokyselina. V druhom štádiu táto zlúčenina interaguje s OH skupinou umiestnenou na 3" konci zodpovedajúcej tRNA a aminokyselina k nej pripojí svoju karboxylovú skupinu, čím sa uvoľní AMP. Tento proces teda pokračuje s výdajom energie získanej počas hydrolýza ATP na AMP Špecifickosť kombinácie aminokyseliny a tRNA, ktorá nesie príslušný antikodón, sa dosahuje vďaka vlastnostiam enzýmu aminoacyl-tRNA syntetázy.V cytoplazme sa nachádza celý súbor takýchto enzýmov, ktoré sú schopný -

priestorové rozpoznanie na jednej strane jeho aminokyseliny a na druhej strane jeho zodpovedajúceho antikodónu tRNA Po prvé, enzým aminoacyl-tRNA syntetáza zabezpečuje spojenie tRNA s aminokyselinou, ktorú transportuje. Aminoacyl-tRNA sa potom komplementárne páruje s mRNA prostredníctvom interakcie antikodón-kodón. Pomocou systému tRNA, jazyka nukleotidového reťazca mRNA. preložené do jazyka aminokyselinovej sekvencie peptidu ribozomálna RNA (rRNA). Ribozomálny cyklus syntézy bielkovín. Proces interakcie medzi mRNA a tRNA, ktorý zabezpečuje preklad informácií z reči nukleotidov do reči aminokyselín, prebieha na ribozómoch, ktoré sú komplexnými komplexmi rRNA a rôznych proteínov, v ktorých prvé tvoria kostru . Ribozomálne RNA nie sú len konštrukčný komponent ribozómy, ale tiež zabezpečujú ich väzbu na špecifickú nukleotidovú sekvenciu mRNA. Toto nastaví štartovací a čítací rámec pre tvorbu peptidového reťazca. Okrem toho poskytujú interakciu medzi ribozómom a tRNA. Početné proteíny, ktoré tvoria ribozómy, spolu s rRNA vykonávajú štrukturálne aj enzymatické úlohy.Ribozómy pro- a eukaryotov sú veľmi podobné štruktúrou a funkciou. Pozostávajú z dvoch podčastíc: veľkých a malých. U eukaryotov je malá podjednotka tvorená jednou molekulou rRNA a 33 rôznymi proteínovými molekulami. Veľká podjednotka kombinuje tri molekuly rRNA a približne 40 proteínov. Prokaryotické ribozómy a mitochondriálne a plastidové ribozómy obsahujú menej komponentov Ribozómy majú dve drážky. Jeden z nich drží rastúci polypeptidový reťazec, druhý - mRNA. Okrem toho sú v ribozómoch izolované dve miesta viažuce tRNA. Aminoacyl-tRNA sa nachádza v aminoacyl, A-mieste nesúcom špecifickú aminokyselinu. V peptidylovej, P-sekcii sa zvyčajne nachádza tRNA, ktorá je zaťažená reťazcom aminokyselín spojených peptidovými väzbami. Tvorbu A- a P-miest zabezpečujú obe podjednotky ribozómu Ribozóm v každom okamihu tieni mRNA segment dlhý asi 30 nukleotidov. Tým je zabezpečená interakcia iba dvoch tRNA s dvoma susednými kodónmi mRNA.Preklad informácie do „jazyka“ aminokyselín sa prejavuje postupným budovaním peptidového reťazca v súlade s pokynmi obsiahnutými v mRNA. Tento proces prebieha na ribozómoch, ktoré poskytujú sekvenciu na dešifrovanie informácií pomocou tRNA. Počas translácie možno rozlíšiť tri fázy: iniciáciu, predĺženie a ukončenie syntézy peptidového reťazca.

^ Iniciačná fáza, čiže začiatok syntézy peptidov, spočíva v spojení dvoch subčastíc ribozómu, ktoré boli predtým oddelené v cytoplazme na určitom mieste mRNA, a pripojení prvej aminoacyl-tRNA k nej. Toto tiež nastavuje rámec pre čítanie informácií obsiahnutých v mRNA. V molekule akejkoľvek mRNA, blízko jej 5" konca, je miesto, ktoré je komplementárne k rRNA malej podjednotky ribozómu a je ňou špecificky rozpoznávané. Ďalej k nemu je iniciačný štartovací kodón AUT, ktorý kóduje aminokyselinu metionín.Malá podjednotka ribozómu je spojená s mRNA tak, že štartovací kodón OUT sa nachádza v oblasti zodpovedajúcej P-miestu.V tomto prípade , iba iniciačná tRNA nesúca metionín je schopná zaujať miesto v nedokončenom P-mieste malej podjednotky a komplementárne sa spojiť so štartovacím kodónom. Po opísanej udalosti sa veľké a malé subčastice ribozómu s tvorbou jeho peptidylu a aminoacylové sekcie

^ I - spojenie malého subchapshchy ribozómu s mRNA, pripojenie k štartovaciemu kodónu tRNA nesúcej metionín, ktorý sa nachádza v nedokončenom P-mieste; II - spojenie veľkých a malých subčastíc ribozómu s tvorbou P- a A-miest; ďalší stupeň je spojený s umiestnením aminoacyl-tRNA v A-mieste zodpovedajúcemu kodónu mRNA, ktorý sa v ňom nachádza, začiatok elongácie; ak - aminokyselina Na konci iniciačnej fázy je P-miesto obsadené aminoacyl-tRNA asociovanou s metionínom, zatiaľ čo A-miesto ribozómu obsahuje kodón nasledujúci za štartovacím kodónom. Po ukončení iniciačnej fázy a vytvorení komplexu ribozóm - mRNA - iniciácia aminoacyl-tRNA sa tieto faktory oddelia od ribozómu Predlžovacia fáza, čiže predlžovanie peptidu, zahŕňa všetky reakcie od momentu vytvorenia prvej peptidovej väzby až po pridanie poslednej aminokyseliny. Ide o cyklicky sa opakujúci jav, pri ktorom dochádza k špecifickému rozpoznaniu ďalšieho kodónu aminoacyl-tRNA umiestneného v A-mieste, čo je komplementárna interakcia medzi antikodónom a kodónom.

Vzhľadom na zvláštnosti trojrozmernej organizácie tRNA. keď je jeho antikodón spojený s kodónom mRNA. ním transportovaná aminokyselina sa nachádza v A-mieste, v blízkosti predtým zahrnutej aminokyseliny umiestnenej v P-mieste. Medzi dvoma aminokyselinami sa vytvára peptidová väzba, katalyzovaná špeciálnymi proteínmi, ktoré tvoria ribozóm. Výsledkom je, že predchádzajúca aminokyselina stráca spojenie so svojou tRNA a spája sa s aminoacyl-tRNA umiestnenou v A-mieste. tRNA nachádzajúca sa v P-mieste sa v tomto momente uvoľní a ide do cytoplazmy. Pohyb tRNA zaťaženej peptidovým reťazcom z A-miesta do P-miesta je sprevádzaný posunom ribozómu pozdĺž mRNA. krokom zodpovedajúcim jednému kodónu. Teraz sa ďalší kodón dostane do kontaktu s miestom A, kde bude špecificky „rozpoznaný“ zodpovedajúcou aminoacyl-tRNA, ktorá tam umiestni svoju aminokyselinu. Táto sekvencia udalostí sa opakuje dovtedy, kým miesto A ribozómu nedostane terminačný kodón, pre ktorý neexistuje žiadna zodpovedajúca tRNA.. Zostavenie peptidového reťazca sa uskutočňuje dostatočne vysokou rýchlosťou v závislosti od teploty. V baktériách pri 37 °C sa vyjadruje ako pridanie 12 až 17 aminokyselín za 1 s k subdipeptidu. V eukaryotických bunkách je táto rýchlosť nižšia a vyjadruje sa ako pridanie dvoch aminokyselín za 1 s.

^ Terminačná fáza alebo dokončenie syntézy polypeptidu je spojené s rozpoznaním jedného z terminačných kodónov (UAA, UAG alebo UGA) špecifickým ribozomálnym proteínom, keď vstúpi do zóny A-miesta ribozómu. V tomto prípade je voda pripojená k poslednej aminokyseline v peptidovom reťazci a jej karboxylový koniec je oddelený od tRNA. Výsledkom je, že dokončený peptidový reťazec stratí spojenie s ribozómom, ktorý sa rozpadne na dve subčastice.

Variabilita dedičnosti. 1-2 Mendelov zákon

kontinuita existencie a historický vývoj voľne žijúce zvieratá sú spôsobené dvoma základnými vlastnosťami života: dedičnosť a variácie.

Na bunkovej a organizačnej (ontogenetickej) úrovni organizácie živých vecí sa dedičnosť chápe ako vlastnosť buniek alebo organizmov v procese samoreprodukcie preniesť na novú generáciu schopnosť určitého typu metabolizmu a individuálny rozvoj, počas ktorých tvoria spoločné znaky a vlastnosti daného bunkového typu a typu organizmov, ako aj niekt individuálnych charakteristík rodičov. Pokračujúca existencia živej prírody v čase na pozadí meniacich sa podmienok by bola nemožná, keby živé systémy nemali schopnosť získavať a udržiavať určité zmeny, ktoré sú užitočné v nových podmienkach prostredia. Vlastnosť živých systémov nadobúdať zmeny a existovať v rôznych variantoch sa nazýva variabilita.

V 60. rokoch. 19. storočie zakladateľ genetiky (vedy o dedičnosti a premenlivosti) G. Mendel (1865) urobil prvé predpoklady o organizácii dedičného materiálu. Na základe výsledkov svojich pokusov na hrachu dospel k záveru, že dedičný materiál je diskrétny, t.j. reprezentované individuálnymi dedičnými sklonmi zodpovednými za vývoj určitých vlastností organizmov. Podľa Mendela v dedičnom materiáli pohlavne sa rozmnožujúcich organizmov vývoj jediného znaku zabezpečuje pár alelických sklonov, ktoré prišli so zárodočnými bunkami od oboch rodičov. Počas tvorby gamét do každej z nich vstupuje len jedna z dvojice alelických sklonov, preto sú gaméty vždy „čisté“. V. Johansen nazval v roku 1909 Mendelove „dedičné sklony“ génmi.

Prejav u krížencov črty iba jedného z rodičov Mendel nazýval dominanciou.

Pri krížení organizmov, ktoré sa líšia v jednom páre kontrastných znakov, za ktoré sú zodpovedné alely jedného génu, je prvá generácia hybridov jednotná vo fenotype a genotype. Podľa fenotypu sa všetky hybridy prvej generácie vyznačujú dominantným znakom, podľa genotypu sú všetky hybridy prvej generácie heterozygotné

Nukleové kyseliny sú makromolekulové látky pozostávajúce z mononukleotidov, ktoré sú navzájom spojené do polymérneho reťazca pomocou 3",5" - fosfodiesterových väzieb a určitým spôsobom zabalené v bunkách.

Nukleové kyseliny sú biopolyméry dvoch odrôd: kyselina ribonukleová (RNA) a kyselina deoxyribonukleová (DNA). Každý biopolymér pozostáva z nukleotidov, ktoré sa líšia sacharidovým zvyškom (ribóza, deoxyribóza) a jednou z dusíkatých báz (uracil, tymín). Podľa toho dostali nukleové kyseliny svoje meno.

Štruktúra deoxyribonukleovej kyseliny

Nukleové kyseliny majú primárne, sekundárne a terciárne štruktúry.

Primárna štruktúra DNA

Primárna štruktúra DNA je lineárny polynukleotidový reťazec, v ktorom sú mononukleotidy spojené 3", 5" fosfodiesterovými väzbami. Východiskovým materiálom na zostavenie reťazca nukleovej kyseliny v bunke je nukleozid 5'-trifosfát, ktorý je v dôsledku odstránenia β a γ zvyškov kyseliny fosforečnej schopný pripojiť 3'-uhlíkový atóm iného nukleozidu. . 3" atóm uhlíka jednej deoxyribózy sa teda kovalentne viaže na 5" atóm uhlíka inej deoxyribózy cez jeden zvyšok kyseliny fosforečnej a tvorí lineárny polynukleotidový reťazec nukleovej kyseliny. Odtiaľ pochádza názov: 3", 5"-fosfodiesterové väzby. Dusíkaté bázy sa nezúčastňujú spájania nukleotidov jedného reťazca (obr. 1.).

Takéto spojenie medzi molekulou kyseliny fosforečnej jedného nukleotidu a uhľohydrátom druhého vedie k vytvoreniu pentózo-fosfátového hlavného reťazca polynukleotidovej molekuly, na ktorý sa postupne zboku pridávajú dusíkaté bázy. Ich sekvencia v reťazcoch molekúl nukleových kyselín je striktne špecifická pre bunky rôznych organizmov, t.j. má špecifický charakter (Chargaffovo pravidlo).

Lineárny reťazec DNA, ktorého dĺžka závisí od počtu nukleotidov zahrnutých v reťazci, má dva konce: jeden sa nazýva 3" koniec a obsahuje voľný hydroxyl a druhý, 5" koniec, obsahuje kyselinu fosforečnú. zvyšok. Obvod je polárny a môže mať 5"->3" a 3"->5". Výnimkou je kruhová DNA.

Genetický „text“ DNA sa skladá z kódových „slov“ – trojíc nukleotidov nazývaných kodóny. Segmenty DNA obsahujúce informácie o primárnej štruktúre všetkých typov RNA sa nazývajú štruktúrne gény.

Polynukleotidové reťazce DNA dosahujú gigantické veľkosti, takže sú v bunke určitým spôsobom zbalené.

Chargaff (1949) pri štúdiu zloženia DNA stanovil dôležité zákonitosti týkajúce sa obsahu jednotlivých báz DNA. Pomohli odhaliť sekundárnu štruktúru DNA. Tieto vzory sa nazývajú Chargaffove pravidlá.

Chargaff pravidlá

  1. súčet purínových nukleotidov sa rovná súčtu pyrimidínových nukleotidov, t.j. A + G / C + T \u003d 1
  2. obsah adenínu sa rovná obsahu tymínu (A = T alebo A / T = 1);
  3. obsah guanínu sa rovná obsahu cytozínu (G = C, alebo G/C = 1);
  4. počet 6-aminoskupín sa rovná počtu 6-ketoskupín báz obsiahnutých v DNA: G + T = A + C;
  5. variabilný je len súčet A + T a G + C. Ak A + T > G-C, potom ide o AT-typ DNA; ak G + C > A + T, potom ide o typ GC DNA.

Tieto pravidlá hovoria, že pri stavbe DNA treba dodržať dosť prísnu zhodu (párovanie) nie pre purínové a pyrimidínové bázy všeobecne, ale konkrétne pre tymín s adenínom a cytozín s guanínom.

Na základe týchto pravidiel okrem iného v roku 1953 Watson a Crick navrhli model sekundárnej štruktúry DNA, nazývanej dvojitá špirála (obr.).

Sekundárna štruktúra DNA

Sekundárnou štruktúrou DNA je dvojitá špirála, ktorej model navrhli v roku 1953 D. Watson a F. Crick.

Predpoklady na vytvorenie modelu DNA

Ako výsledok počiatočné analýzy myšlienka bola, že DNA akéhokoľvek pôvodu obsahuje všetky štyri nukleotidy v rovnakých molárnych množstvách. E. Chargaff a jeho kolegovia však v 40. rokoch 20. storočia na základe rozboru DNA izolovanej z rôznych organizmov jasne ukázali, že dusíkaté zásady sú v nich obsiahnuté v rôznych kvantitatívnych pomeroch. Chargaff zistil, že hoci sú tieto pomery rovnaké pre DNA zo všetkých buniek rovnakého druhu, DNA z odlišné typy sa môžu výrazne líšiť v obsahu určitých nukleotidov. To naznačuje, že rozdiely v pomere dusíkatých báz môžu súvisieť s nejakým biologickým kódom. Aj keď sa pomer jednotlivých purínových a pyrimidínových báz v rôznych vzorkách DNA ukázal ako nerovnaký, pri porovnaní výsledkov analýz sa zistil istý vzorec: vo všetkých vzorkách sa celkové množstvo purínov rovnalo celkovému množstvu pyrimidínov. (A + G = T + C), množstvo adenínu sa rovnalo množstvu tymínu (A = T) a množstvo guanínu - množstvo cytozínu (G = C). DNA izolovaná z buniek cicavcov bola vo všeobecnosti bohatšia na adenín a tymín a relatívne chudobnejšia na guanín a cytozín, zatiaľ čo DNA z baktérií bola bohatšia na guanín a cytozín a relatívne chudobnejšia na adenín a tymín. Tieto údaje tvorili dôležitú súčasť faktografického materiálu, na základe ktorého bol neskôr vybudovaný Watson-Crickov model štruktúry DNA.

Ďalším dôležitým nepriamym náznakom možnej štruktúry DNA boli údaje L. Paulinga o štruktúre proteínových molekúl. Pauling ukázal, že v molekule proteínu je možných niekoľko rôznych stabilných konfigurácií reťazca aminokyselín. Jedna z bežných konfigurácií peptidového reťazca - a-helix - je pravidelná špirálová štruktúra. S takouto štruktúrou je možná tvorba vodíkových väzieb medzi aminokyselinami umiestnenými na susedných závitoch reťazca. Pauling opísal a-helikálnu konfiguráciu polypeptidového reťazca v roku 1950 a navrhol, že molekuly DNA majú tiež pravdepodobne špirálovitú štruktúru fixovanú vodíkovými väzbami.

Najcennejšie informácie o štruktúre molekuly DNA však poskytli výsledky röntgenovej difrakčnej analýzy. Röntgenové lúče prechádzajúce cez kryštál DNA podliehajú difrakcii, to znamená, že sú odklonené v určitých smeroch. Stupeň a povaha vychýlenia lúčov závisí od štruktúry samotných molekúl. Röntgenový difrakčný obrazec (obr. 3) poskytuje skúsenému oku množstvo nepriamych indikácií týkajúcich sa štruktúry molekúl skúmanej látky. Analýza rôntgenových difraktogramov DNA viedla k záveru, že dusíkaté bázy (majú plochý tvar) sú naskladané ako stoh platní. Röntgenové záznamy umožnili identifikovať tri hlavné obdobia v štruktúre kryštalickej DNA: 0,34, 2 a 3,4 nm.

Watson-Crickov model DNA

Vychádzajúc z Chargaffových analytických údajov, Wilkinsových röntgenových lúčov a chemikov, ktorí poskytli informácie o presných vzdialenostiach medzi atómami v molekule, o uhloch medzi väzbami daného atómu a o veľkosti atómov, Watson a Crick začali stavať fyzikálne modely jednotlivých zložiek molekuly DNA v určitom meradle.a navzájom ich „upravovať“ tak, aby výsledný systém zodpovedal rôznym experimentálnym údajom [šou] .

Ešte skôr bolo známe, že susedné nukleotidy v reťazci DNA sú spojené fosfodiesterovými mostíkmi, ktoré spájajú 5'-atóm uhlíka deoxyribózy jedného nukleotidu s 3'-atómom uhlíka deoxyribózy nasledujúceho nukleotidu. Watson a Crick nepochybovali o tom, že perióda 0,34 nm zodpovedá vzdialenosti medzi po sebe nasledujúcimi nukleotidmi vo vlákne DNA. Ďalej by sa dalo predpokladať, že perióda 2 nm zodpovedá hrúbke reťazca. A aby sa vysvetlilo, aká skutočná štruktúra zodpovedá perióde 3,4 nm, Watson a Crick, ako aj Pauling predtým, predpokladali, že reťaz je skrútená vo forme špirály (alebo presnejšie tvorí špirálu, pretože špirála v presnom zmysle slova sa získa, keď závity tvoria v priestore skôr kužeľovú ako valcovú plochu). Potom perióda 3,4 nm bude zodpovedať vzdialenosti medzi po sebe nasledujúcimi závitmi tejto špirály. Takáto špirála môže byť veľmi hustá alebo trochu natiahnutá, t.j. jej závity môžu byť ploché alebo strmé. Pretože perióda 3,4 nm je presne 10-násobok vzdialenosti medzi po sebe idúcimi nukleotidmi (0,34 nm), je jasné, že každý úplný závit špirály obsahuje 10 nukleotidov. Z týchto údajov Watson a Crick dokázali vypočítať hustotu polynukleotidového reťazca stočeného do špirály s priemerom 2 nm, pričom vzdialenosť medzi závitmi sa rovnala 3,4 nm. Ukázalo sa, že takéto vlákno bude mať polovičnú hustotu oproti skutočnej hustote DNA, ktorá už bola známa. Musel som predpokladať, že molekula DNA pozostáva z dvoch reťazcov – že ide o dvojitú špirálu nukleotidov.

Ďalšou úlohou bolo, samozrejme, objasniť priestorový vzťah medzi dvoma vláknami tvoriacimi dvojitú špirálu. Po vyskúšaní množstva variantov usporiadania reťazcov na svojom fyzikálnom modeli Watson a Crick zistili, že pre všetky dostupné údaje najlepšie vyhovuje ten, v ktorom dva polynukleotidové helixy idú opačným smerom; v tomto prípade reťazce pozostávajúce z cukrových a fosfátových zvyškov tvoria povrch dvojitej špirály a vo vnútri sa nachádzajú puríny a pyrimidíny. Bázy umiestnené oproti sebe, patriace do dvoch reťazcov, sú spojené v pároch vodíkovými väzbami; práve tieto vodíkové väzby držia reťazce pohromade, čím fixujú celkovú konfiguráciu molekuly.

Dvojzávitnicu DNA si možno predstaviť ako špirálový lanový rebrík, pričom priečky zostávajú vodorovné. Potom dve pozdĺžne laná budú zodpovedať reťazcom cukrových a fosfátových zvyškov a priečniky budú zodpovedať párom dusíkatých báz spojených vodíkovými väzbami.

Ako výsledok ďalšieho štúdia možných modelov, Watson a Crick dospeli k záveru, že každý „priečnik“ by mal pozostávať z jedného purínu a jedného pyrimidínu; v perióde 2 nm (zodpovedajúcej priemeru dvojitej špirály) by nebolo dosť miesta pre dva puríny a dva pyrimidíny by nemohli byť dostatočne blízko seba, aby vytvorili správne vodíkové väzby. Hĺbková štúdia podrobného modelu ukázala, že adenín a cytozín, ktoré tvoria kombináciu správnej veľkosti, stále nie je možné usporiadať tak, aby sa medzi nimi vytvorili vodíkové väzby. Podobné správy tiež prinútili vylúčiť kombináciu guanín-tymín, zatiaľ čo kombinácie adenín-tymín a guanín-cytozín boli celkom prijateľné. Povaha vodíkových väzieb je taká, že adenín sa páruje s tymínom a guanín sa páruje s cytozínom. Tento koncept špecifického párovania báz umožnil vysvetliť „Chargaffovo pravidlo“, podľa ktorého v akejkoľvek molekule DNA sa množstvo adenínu vždy rovná obsahu tymínu a množstvo guanínu sa vždy rovná množstvu cytozínu. . Medzi adenínom a tymínom sa tvoria dve vodíkové väzby a medzi guanínom a cytozínom tri. Kvôli tejto špecifickosti pri tvorbe vodíkových väzieb proti každému adenínu v jednom reťazci je tymín v druhom reťazci; rovnakým spôsobom možno proti každému guanínu umiestniť iba cytozín. Reťazce sú teda navzájom komplementárne, to znamená, že sekvencia nukleotidov v jednom reťazci jednoznačne určuje ich sekvenciu v druhom reťazci. Dva reťazce prebiehajú v opačných smeroch a ich fosfátové koncové skupiny sú na opačných koncoch dvojitej špirály.

Výsledkom ich výskumu bolo, že v roku 1953 Watson a Crick navrhli model štruktúry molekuly DNA (obr. 3), ktorý je relevantný aj pre súčasnosť. Podľa modelu pozostáva molekula DNA z dvoch komplementárnych polynukleotidových reťazcov. Každé vlákno DNA je polynukleotid pozostávajúci z niekoľkých desiatok tisíc nukleotidov. V ňom susedné nukleotidy tvoria pravidelný pentózo-fosfátový hlavný reťazec vďaka kombinácii zvyšku kyseliny fosforečnej a deoxyribózy silnou kovalentnou väzbou. Dusíkaté bázy jedného polynukleotidového reťazca sú usporiadané v presne definovanom poradí oproti dusíkatým bázam druhého polynukleotidového reťazca. Striedanie dusíkatých báz v polynukleotidovom reťazci je nepravidelné.

Usporiadanie dusíkatých báz v reťazci DNA je komplementárne (z gréckeho „komplement“ – sčítanie), t.j. proti adenínu (A) je vždy tymín (T) a proti guanínu (G) - iba cytozín (C). Vysvetľuje to skutočnosť, že A a T, ako aj G a C si navzájom presne zodpovedajú, t.j. sa navzájom dopĺňajú. Táto korešpondencia je daná chemickou štruktúrou báz, ktorá umožňuje tvorbu vodíkových väzieb v páre purínu a pyrimidínu. Medzi A a T sú dve väzby, medzi G a C - tri. Tieto väzby poskytujú čiastočnú stabilizáciu molekuly DNA v priestore. Stabilita dvojitej špirály je priamo úmerná počtu väzieb G≡C, ktoré sú stabilnejšie ako väzby A=T.

Známa sekvencia nukleotidov v jednom reťazci DNA umožňuje na základe princípu komplementarity stanoviť nukleotidy iného vlákna.

Okrem toho sa zistilo, že dusíkaté bázy s aromatickou štruktúrou sú umiestnené jedna nad druhou vo vodnom roztoku a tvoria tak, ako to bolo, kopu mincí. Tento proces vytvárania stohov organické molekuly nazývané stohovanie. Polynukleotidové reťazce molekuly DNA uvažovaného Watsonovho-Crickovho modelu majú podobný fyzikálno-chemický stav, ich dusíkaté bázy sú usporiadané vo forme hromady mincí, medzi rovinami ktorých dochádza k van der Waalsovým interakciám (skladaniu interakcií).

Vodíkové väzby medzi komplementárnymi bázami (horizontálne) a vrstvená interakcia medzi základnými rovinami v polynukleotidovom reťazci v dôsledku van der Waalsových síl (vertikálne) poskytujú molekule DNA dodatočnú stabilizáciu v priestore.

Cukor-fosfátové kostry oboch reťazcov sú otočené smerom von a bázy sú smerom dovnútra, smerom k sebe. Smer vlákien v DNA je antiparalelný (jeden z nich má smer 5"->3", druhý - 3"->5", t.j. 3"-koniec jedného vlákna je umiestnený oproti 5"-koncu toho druhého.). Reťaze tvoria pravé špirály so spoločnou osou. Jeden závit špirály je 10 nukleotidov, veľkosť závitu je 3,4 nm, výška každého nukleotidu je 0,34 nm, priemer špirály je 2,0 nm. V dôsledku rotácie jedného vlákna okolo druhého sa v dvojitej špirále DNA vytvorí hlavná drážka (asi 20 Á v priemere) a vedľajšia drážka (asi 12 Á). Táto forma Watson-Crickovej dvojitej špirály bola neskôr nazvaná B-forma. V bunkách sa DNA zvyčajne vyskytuje vo forme B, ktorá je najstabilnejšia.

Funkcie DNA

Navrhovaný model vysvetlil mnohé z biologických vlastností kyseliny deoxyribonukleovej vrátane uchovávania genetickej informácie a rozmanitosti génov poskytovaných veľká rozmanitosť po sebe idúce kombinácie 4 nukleotidov a skutočnosť, že existuje genetický kód, schopnosť samoreprodukovať a prenášať genetickú informáciu poskytnutú procesom replikácie a implementácia genetickej informácie vo forme proteínov, ako aj akýchkoľvek iných zlúčenín tvorené pomocou proteínových enzýmov.

Základné funkcie DNA.

  1. DNA je nositeľkou genetickej informácie, ktorá je zabezpečená skutočnosťou existencie genetického kódu.
  2. Rozmnožovanie a prenášaná genetická informácia v generáciách buniek a organizmov. Túto funkciu zabezpečuje proces replikácie.
  3. Implementácia genetickej informácie vo forme proteínov, ako aj akýchkoľvek iných zlúčenín vytvorených pomocou enzýmových proteínov. Túto funkciu zabezpečujú procesy transkripcie a translácie.

Formy organizácie dvojvláknovej DNA

DNA môže vytvárať niekoľko typov dvojzávitníc (obr. 4). V súčasnosti je známych už šesť foriem (od A po E a Z-formu).

Štrukturálne formy DNA, ako ich stanovila Rosalind Franklin, závisia od nasýtenia molekuly nukleovej kyseliny vodou. Pri štúdiách DNA vlákien pomocou röntgenovej difrakčnej analýzy sa ukázalo, že röntgenový difrakčný obrazec radikálne závisí od toho, pri akej relatívnej vlhkosti, pri akom stupni nasýtenia tohto vlákna vodou experiment prebieha. Ak bolo vlákno dostatočne nasýtené vodou, získal sa jeden röntgenový snímok. Po vysušení sa objavil úplne iný röntgenový obrazec, veľmi odlišný od röntgenového obrazca vlákna s vysokou vlhkosťou.

Molekula DNA s vysokou vlhkosťou sa nazýva B-tvar. Za fyziologických podmienok (nízka koncentrácia solí, vysoký stupeň hydratácie) je dominantným štruktúrnym typom DNA B-forma (hlavnou formou dvojvláknovej DNA je Watson-Crickov model). Stúpanie špirály takejto molekuly je 3,4 nm. Na jedno kolo pripadá 10 komplementárnych párov v podobe skrútených kôp „mincí“ – dusíkatých báz. Stohy sú držané pohromade vodíkovými väzbami medzi dvoma protiľahlými "mincami" stohov a sú "zvinuté" dvoma pásikmi fosfodiesterového hlavného reťazca stočeného do pravotočivej špirály. Roviny dusíkatých báz sú kolmé na os skrutkovice. Susedné komplementárne páry sú voči sebe otočené o 36°. Priemer špirály je 20 Á, pričom purínový nukleotid zaberá 12 Á a pyrimidínový nukleotid zaberá 8 Á.

Molekula DNA s nižšou vlhkosťou sa nazýva A-forma. A-forma vzniká v podmienkach menšej hydratácie a pri vyššom obsahu iónov Na + alebo K +. Táto širšia pravotočivá konformácia má 11 párov báz na otáčku. Roviny dusíkatých báz majú k osi skrutkovice silnejší sklon, od normály sa odchyľujú k osi skrutkovice o 20°. To znamená prítomnosť vnútornej dutiny s priemerom 5 Á. Vzdialenosť medzi susednými nukleotidmi je 0,23 nm, dĺžka špirály je 2,5 nm a priemer špirály je 2,3 nm.

Spočiatku sa predpokladalo, že A-forma DNA je menej dôležitá. Neskôr sa však ukázalo, že A-forma DNA, rovnako ako B-forma, má veľký biologický význam. RNA-DNA helix v komplexe templát-seed má A-formu, rovnako ako RNA-RNA helix a RNA vlásenkové štruktúry (2'-hydroxylová skupina ribózy neumožňuje molekulám RNA vytvoriť B-formu) . A-forma DNA sa nachádza v spórach. Zistilo sa, že A-forma DNA je 10-krát odolnejšia voči UV žiareniu ako B-forma.

A-forma a B-forma sa nazývajú kanonické formy DNA.

Formuláre C-E aj pravoruké, ich vznik možno pozorovať iba v špeciálnych experimentoch a zjavne neexistujú in vivo. C-forma DNA má štruktúru podobnú B-DNA. Počet párov báz na otáčku je 9,33 a dĺžka špirály je 3,1 nm. Páry báz sú naklonené pod uhlom 8 stupňov vzhľadom na kolmú polohu k osi. Drážky sú svojou veľkosťou blízke ryhám B-DNA. V tomto prípade je hlavná drážka o niečo menšia a vedľajšia drážka je hlbšia. Prirodzené a syntetické polynukleotidy DNA môžu prejsť do C-formy.

Tabuľka 1. Charakteristika niektorých typov štruktúr DNA
Špirálový typ A B Z
Rozstup špirály 0,32 nm 3,38 nm 4,46 nm
Špirálový zákrut Správny Správny Vľavo
Počet párov báz na kolo 11 10 12
Vzdialenosť medzi základnými rovinami 0,256 nm0,338 nm0,371 nm
Konformácia glykozidickej väzby antiantianti-C
syn-G
Konformácia furanózového kruhu C3 "-endoC2 "-endoC3 "-endo-G
C2"-endo-C
Šírka drážky, malá/veľká 1,11/0,22 nm 0,57/1,17 nm0,2/0,88 nm
Hĺbka drážky, malá/veľká 0,26/1,30 nm 0,82/0,85 nm1,38/0,37 nm
Priemer špirály 2,3 nm 2,0 nm 1,8 nm

Štrukturálne prvky DNA
(nekanonické štruktúry DNA)

Štrukturálne prvky DNA zahŕňajú neobvyklé štruktúry obmedzené niektorými špeciálnymi sekvenciami:

  1. Z-forma DNA - vzniká v miestach B-formy DNA, kde sa striedajú puríny s pyrimidínmi alebo v repete obsahujúcich metylovaný cytozín.
  2. Palindrómy sú prevrátené sekvencie, invertované opakovania základných sekvencií, ktoré majú symetriu druhého rádu vzhľadom na dva reťazce DNA a tvoria „vlásenky“ a „kríže“.
  3. H-forma DNA a trojité helixy DNA sa tvoria v prítomnosti miesta obsahujúceho iba puríny v jednom vlákne normálneho Watson-Crickovho duplexu a v druhom vlákne s nimi komplementárne pyrimidíny.
  4. G-kvadruplex (G-4) je štvorvláknová skrutkovica DNA, kde 4 guanínové bázy z rôznych vlákien tvoria G-kvartety (G-tetrády), držané pohromade vodíkovými väzbami za vzniku G-kvadruplexov.

Z-forma DNA bol objavený v roku 1979 pri štúdiu hexanukleotidu d(CG)3 -. Otvoril ho profesor MIT Alexander Rich so svojimi zamestnancami. Z-tvar sa stal jedným z najdôležitejších konštrukčné prvky DNA v dôsledku skutočnosti, že jej tvorba bola pozorovaná v oblastiach DNA, kde sa puríny striedajú s pyrimidínmi (napríklad 5'-HCHCHC-3'), alebo v 5'-CHCHCH-3' opakovaniach obsahujúcich metylovaný cytozín. Podstatnou podmienkou pre vznik a stabilizáciu Z-DNA bola prítomnosť purínových nukleotidov v syn-konformácii, ktoré sa v anti-konformácii striedali s pyrimidínovými bázami.

Prirodzené molekuly DNA väčšinou existujú v správnej forme B, pokiaľ neobsahujú sekvencie ako (CG)n. Ak sú však takéto sekvencie súčasťou DNA, potom sa tieto oblasti, keď iónová sila roztoku alebo katiónov, ktoré neutralizujú negatívny náboj na fosfodiesterovom hlavnom reťazci, môžu zmeniť na Z-formu, zatiaľ čo ostatné oblasti DNA v reťazci zostávajú v klasickej B-forme. Možnosť takéhoto prechodu naznačuje, že dve vlákna v dvojitej špirále DNA sú v dynamickom stave a môžu sa navzájom odvíjať, prechádzať z pravej formy do ľavej a naopak. Biologické dôsledky tejto lability, ktorá umožňuje konformačné transformácie štruktúry DNA, ešte nie sú úplne pochopené. Predpokladá sa, že oblasti Z-DNA hrajú úlohu pri regulácii expresie určitých génov a zúčastňujú sa genetickej rekombinácie.

Z-forma DNA je ľavotočivá dvojzávitnica, v ktorej je fosfodiesterová kostra kľukatá pozdĺž osi molekuly. Odtiaľ pochádza názov molekuly (cikcak)-DNA. Z-DNA je najmenej skrútená (12 párov báz na otáčku) a najtenšia známa v prírode. Vzdialenosť medzi susednými nukleotidmi je 0,38 nm, dĺžka cievky je 4,56 nm a priemer Z-DNA je 1,8 nm. okrem toho vzhľad Táto molekula DNA sa vyznačuje prítomnosťou jedinej drážky.

Z-forma DNA bola nájdená v prokaryotických a eukaryotických bunkách. Doteraz boli získané protilátky, ktoré dokážu rozlíšiť medzi Z-formou a B-formou DNA. Tieto protilátky sa viažu na špecifické oblasti obrovských chromozómov buniek slinných žliaz Drosophila (Dr. melanogaster). Väzbovú reakciu je možné ľahko sledovať vďaka nezvyčajnej štruktúre týchto chromozómov, v ktorých hustejšie oblasti (disky) kontrastujú s menej hustými oblasťami (medzidisky). Oblasti Z-DNA sa nachádzajú v medzidiskoch. Z toho vyplýva, že Z-forma v prírodných podmienkach skutočne existuje, hoci veľkosti jednotlivých úsekov Z-formy ešte nie sú známe.

(posúvače) – najznámejšie a najčastejšie sa vyskytujúce sekvencie báz v DNA. Palindróm je slovo alebo fráza, ktorá sa číta zľava doprava a naopak rovnakým spôsobom. Príklady takýchto slov alebo slovných spojení sú: CHÝBA, KOZÁK, POVODŇA A RUŽA PADLA NA LABY AZOR. Pri aplikácii na úseky DNA tento výraz (palindróm) znamená rovnaké striedanie nukleotidov pozdĺž reťazca sprava doľava a zľava doprava (ako písmená v slove „chata“ atď.).

Palindróm je charakterizovaný prítomnosťou invertovaných opakovaní sekvencií báz, ktoré majú symetriu druhého rádu vzhľadom na dva reťazce DNA. Takéto sekvencie sú zo zrejmých dôvodov samokomplementárne a majú tendenciu vytvárať vlásenkové alebo krížové štruktúry (obr.). Vlásenky pomáhajú regulačným proteínom rozpoznať miesto, kde sa kopíruje genetický text chromozómovej DNA.

V prípadoch, keď je v rovnakom vlákne DNA prítomná invertovaná repetícia, sa takáto sekvencia nazýva zrkadlová repetícia. Zrkadlové opakovania nemajú samokomplementárne vlastnosti, a preto nie sú schopné vytvárať vlásenkové alebo krížové štruktúry. Sekvencie tohto typu sa nachádzajú takmer vo všetkých veľkých molekulách DNA a môžu sa pohybovať od niekoľkých párov báz až po niekoľko tisíc párov báz.

Prítomnosť palindrómov vo forme krížových štruktúr v eukaryotických bunkách nebola dokázaná, hoci množstvo krížových štruktúr bolo nájdených in vivo v bunkách E. coli. Prítomnosť samokomplementárnych sekvencií v RNA alebo jednovláknovej DNA je hlavným dôvodom poskladania nukleového reťazca v roztokoch do určitej priestorovej štruktúry, charakterizovanej tvorbou mnohých „vláseniek“.

H-forma DNA- ide o špirálu, ktorá je tvorená tromi vláknami DNA - trojitá špirála DNA. Ide o komplex Watson-Crickovej dvojzávitnice s tretím jednovláknovým reťazcom DNA, ktorý zapadá do jej veľkej drážky, s vytvorením takzvaného Hoogsteenovho páru.

K vytvoreniu takéhoto triplexu dochádza v dôsledku pridania dvojitej špirály DNA tak, že polovica jej časti zostane vo forme dvojitej špirály a druhá polovica sa odpojí. V tomto prípade jedna z rozpojených špirál tvorí novú štruktúru s prvou polovicou dvojitej špirály - trojitá špirála a druhá sa ukáže ako neštruktúrovaná vo forme jednovláknovej časti. Znakom tohto štrukturálneho prechodu je ostrá závislosť od pH média, ktorého protóny stabilizujú novú štruktúru. Vďaka tejto vlastnosti bola nová štruktúra nazvaná H-forma DNA, ktorej tvorba bola nájdená v superšpičkovitých plazmidoch obsahujúcich homopurínovo-homopyrimidínové oblasti, ktoré sú zrkadlovým opakovaním.

V ďalších štúdiách bola preukázaná možnosť štrukturálneho prechodu niektorých homopurín-homopyrimidínových dvojvláknových polynukleotidov s vytvorením trojvláknovej štruktúry obsahujúcej:

  • jeden homopurínový a dva homopyrimidínové reťazce ( Triplex Py-Pu-Py) [Hoogsteenova interakcia].

    Základnými blokmi triplexu Py-Pu-Py sú kanonické izomorfné triády CGC+ a TAT. Stabilizácia triplexu vyžaduje protonáciu CGC+ triády, takže tieto triplexy sú závislé od pH roztoku.

  • jeden homopyrimidínový a dva homopurínové reťazce ( Triplex Py-Pu-Pu) [inverzná Hoogsteenova interakcia].

    Základnými blokmi triplexu Py-Pu-Pu sú kanonické izomorfné triády CGG a TAA. Podstatnou vlastnosťou triplexov Py-Pu-Pu je závislosť ich stability od prítomnosti dvojnásobne nabitých iónov a na stabilizáciu triplexov rôznych sekvencií sú potrebné rôzne ióny. Pretože tvorba Py-Pu-Pu triplexov nevyžaduje protonáciu ich základných nukleotidov, takéto triplexy môžu existovať pri neutrálnom pH.

    Poznámka: priama a reverzná Hoogsteenova interakcia je vysvetlená symetriou 1-metyltymínu: rotácia o 180 ° vedie k tomu, že miesto atómu O4 je obsadené atómom O2, zatiaľ čo systém vodíkových väzieb je zachovaný.

Existujú dva typy trojitých špirál:

  1. paralelné trojité špirály, v ktorých je polarita tretieho vlákna rovnaká ako polarita homopurínového reťazca Watson-Crickovho duplexu
  2. antiparalelné trojité špirály, v ktorých sú polarity tretieho a homopurínového reťazca opačné.
Chemicky homológne reťazce v oboch triplexoch Py-Pu-Pu a Py-Pu-Py sú v antiparalelnej orientácii. Toto bolo ďalej potvrdené údajmi NMR spektroskopie.

G-kvadruplex- 4-vláknová DNA. Takáto štruktúra vzniká, ak sú tam štyri guaníny, ktoré tvoria takzvaný G-quadruplex – okrúhly tanec štyroch guanínov.

Prvé náznaky o možnosti vytvorenia takýchto štruktúr boli získané dávno pred prelomovou prácou Watsona a Cricka - už v roku 1910. Potom nemecký chemik Ivar Bang zistil, že jedna zo zložiek DNA – kyselina guanozová – tvorí vo vysokých koncentráciách gély, zatiaľ čo ostatné zložky DNA túto vlastnosť nemajú.

V roku 1962 sa pomocou metódy röntgenovej difrakcie podarilo stanoviť bunkovú štruktúru tohto gélu. Ukázalo sa, že pozostáva zo štyroch zvyškov guanínu, ktoré sa navzájom spájajú do kruhu a tvoria charakteristický štvorec. V strede je väzba podporovaná kovovým iónom (Na, K, Mg). Rovnaké štruktúry sa môžu vytvoriť v DNA, ak obsahuje veľa guanínu. Tieto ploché štvorce (G-kvartety) sú naskladané tak, aby vytvorili pomerne stabilné, husté štruktúry (G-kvadruplexy).

Štyri samostatné vlákna DNA môžu byť tkané do štvorvláknových komplexov, ale to je skôr výnimka. Častejšie sa jedno vlákno nukleovej kyseliny jednoducho zviaže do uzla, čím sa vytvoria charakteristické zhrubnutia (napríklad na koncoch chromozómov), alebo dvojvláknová DNA vytvorí lokálny kvadruplex na nejakom mieste bohatom na guanín.

Najviac skúmaná je existencia kvadruplexov na koncoch chromozómov – na teloméroch a v onkopromótoroch. Úplné pochopenie lokalizácie takejto DNA v ľudských chromozómoch však stále nie je známe.

Všetky tieto nezvyčajné štruktúry DNA v lineárnej forme sú v porovnaní s B-formou DNA nestabilné. DNA však často existuje v kruhovej forme topologického napätia, keď má to, čo je známe ako supercoiling. Za týchto podmienok sa ľahko vytvárajú nekanonické štruktúry DNA: Z-formy, „kríže“ a „vlásenky“, H-formy, guanínové kvadruplexy a i-motív.

  • Supercoiled forma - zaznamenaná pri uvoľnení z bunkového jadra bez poškodenia pentózo-fosfátovej kostry. Má formu superkrútených uzavretých krúžkov. V superkrútenom stave je dvojzávitnica DNA aspoň raz „stočená na sebe“, t.j. obsahuje aspoň jednu supercoil (má tvar osmičky).
  • Uvoľnený stav DNA – pozorovaný s jediným zlomom (prerušenie jedného vlákna). V tomto prípade supercoil zmiznú a DNA získa formu uzavretého prstenca.
  • Lineárna forma DNA sa pozoruje, keď sa zlomia dve vlákna dvojitej špirály.
Všetky tri uvedené formy DNA sa dajú ľahko oddeliť gélovou elektroforézou.

Terciárna štruktúra DNA

Terciárna štruktúra DNA vzniká v dôsledku dodatočného krútenia v priestore dvojvláknovej molekuly - jej supercoilingu. Supercoiling molekuly DNA v eukaryotických bunkách sa na rozdiel od prokaryotov uskutočňuje vo forme komplexov s proteínmi.

Takmer všetka eukaryotická DNA sa nachádza v chromozómoch jadier, len malé množstvo sa nachádza v mitochondriách, v rastlinách a v plastidoch. Hlavnou substanciou chromozómov eukaryotických buniek (vrátane ľudských chromozómov) je chromatín, pozostávajúci z dvojvláknovej DNA, histónových a nehistónových proteínov.

Histónové proteíny chromatínu

Históny sú jednoduché proteíny, ktoré tvoria až 50 % chromatínu. Vo všetkých študovaných bunkách zvierat a rastlín sa našlo päť hlavných tried histónov: H1, H2A, H2B, H3, H4, líšiacich sa veľkosťou, zložením aminokyselín a nábojom (vždy kladné).

Cicavčí histón H1 pozostáva z jedného polypeptidového reťazca obsahujúceho približne 215 aminokyselín; veľkosti ostatných histónov sa pohybujú od 100 do 135 aminokyselín. Všetky sú špirálovité a stočené do guľôčky s priemerom asi 2,5 nm, obsahujú nezvyčajne veľké množstvo kladne nabitých aminokyselín lyzín a arginín. Históny môžu byť acetylované, metylované, fosforylované, poly(ADP)-ribozylované a históny H2A a H2B môžu byť kovalentne spojené s ubikvitínom. Aká je úloha takýchto modifikácií pri formovaní štruktúry a vykonávaní funkcií histónmi, nie je zatiaľ úplne objasnené. Predpokladá sa, že ide o ich schopnosť interagovať s DNA a poskytovať jeden z mechanizmov regulácie pôsobenia génov.

Históny interagujú s DNA hlavne prostredníctvom iónové väzby(soľné mostíky) vytvorené medzi záporne nabitými fosfátovými skupinami DNA a kladne nabitými lyzínovými a arginínovými histónovými zvyškami.

Nehistónové proteíny chromatínu

Nehistónové proteíny sú na rozdiel od histónov veľmi rôznorodé. Izolovalo sa až 590 rôznych frakcií nehistónových proteínov viažucich DNA. Nazývajú sa aj kyslé bielkoviny, keďže v ich štruktúre prevládajú kyslé aminokyseliny (sú to polyanióny). Špecifická regulácia aktivity chromatínu je spojená s rôznymi nehistónovými proteínmi. Napríklad enzýmy nevyhnutné pre replikáciu a expresiu DNA sa môžu prechodne viazať na chromatín. Iné proteíny, povedzme tie, ktoré sa podieľajú na rôznych regulačných procesoch, sa viažu na DNA iba v špecifických tkanivách alebo v určitých štádiách diferenciácie. Každý proteín je komplementárny k špecifickej sekvencii nukleotidov DNA (miesto DNA). Táto skupina zahŕňa:

  • rodina miestne špecifických proteínov so zinkovým prstom. Každý „zinkový prst“ rozpoznáva špecifické miesto pozostávajúce z 5 nukleotidových párov.
  • rodina miestne špecifických proteínov - homodimérov. Fragment takéhoto proteínu v kontakte s DNA má štruktúru "helix-turn-helix".
  • proteíny s vysokou pohyblivosťou (HMG proteíny – z angl. high mobility gel proteins) sú skupinou štrukturálnych a regulačných proteínov, ktoré sú neustále spojené s chromatínom. Majú molekulovú hmotnosť menšiu ako 30 kD a vyznačujú sa vysokým obsahom nabitých aminokyselín. Vďaka svojej nízkej molekulovej hmotnosti sú proteíny HMG vysoko mobilné počas elektroforézy na polyakrylamidovom géli.
  • enzýmy replikácie, transkripcie a opravy.

Za účasti štrukturálnych, regulačných proteínov a enzýmov zapojených do syntézy DNA a RNA sa nukleozómové vlákno premieňa na vysoko kondenzovaný komplex proteínov a DNA. Výsledná štruktúra je 10 000-krát kratšia ako pôvodná molekula DNA.

Chromatin

Chromatín je komplex bielkovín s jadrovou DNA a anorganickými látkami. Väčšina chromatínu je neaktívna. Obsahuje husto zabalenú, kondenzovanú DNA. Toto je heterochromatín. Existuje konštitutívny, geneticky neaktívny chromatín (satelitná DNA) pozostávajúci z neexprimovaných oblastí a fakultatívny - neaktívny v niekoľkých generáciách, ale za určitých okolností schopný expresie.

Aktívny chromatín (euchromatín) je nekondenzovaný, t.j. zabalené menej tesne. IN rôzne bunky jeho obsah sa pohybuje od 2 do 11 %. V bunkách mozgu je to najviac - 10-11%, v bunkách pečene - 3-4 a obličiek - 2-3%. Existuje aktívna transkripcia euchromatínu. Jeho štruktúrna organizácia zároveň umožňuje v špecializovaných bunkách rôznymi spôsobmi využívať rovnakú genetickú informáciu DNA, ktorá je vlastná danému typu organizmu.

V elektrónovom mikroskope obraz chromatínu pripomína guľôčky: sférické zhrubnutia s veľkosťou asi 10 nm, oddelené vláknitými mostíkmi. Tieto sférické zhrubnutia sa nazývajú nukleozómy. Nukleozóm je štruktúrna jednotka chromatínu. Každý nukleozóm obsahuje 146 bp dlhý superzvinutý segment DNA vinutý tak, aby vytvoril 1,75 ľavých závitov na jadro nukleozómu. Nukleozomálne jadro je histónový oktamér pozostávajúci z histónov H2A, H2B, H3 a H4, dvoch molekúl každého typu (obr. 9), ktorý vyzerá ako disk s priemerom 11 nm a hrúbkou 5,7 nm. Piaty histón, H1, nie je súčasťou nukleozomálneho jadra a nie je zapojený do procesu vinutia DNA okolo histónového oktaméru. Kontaktuje DNA v miestach, kde dvojitá špirála vstupuje a vystupuje z nukleozomálneho jadra. Ide o medzijadrové (linkerové) úseky DNA, ktorých dĺžka sa mení v závislosti od typu bunky od 40 do 50 nukleotidových párov. V dôsledku toho sa mení aj dĺžka fragmentu DNA, ktorý je súčasťou nukleozómov (od 186 do 196 párov nukleotidov).

Nukleozóm obsahuje asi 90 % DNA, zvyšok tvorí linker. Predpokladá sa, že nukleozómy sú fragmenty "tichého" chromatínu, zatiaľ čo linker je aktívny. Nukleozómy sa však môžu rozvinúť a stať sa lineárnymi. Rozbalené nukleozómy sú už aktívnym chromatínom. To jasne ukazuje závislosť funkcie od štruktúry. Dá sa predpokladať, že čím viac chromatínu je v zložení globulárnych nukleozómov, tým je menej aktívny. Je zrejmé, že v rôznych bunkách je nerovnaký podiel pokojového chromatínu spojený s počtom takýchto nukleozómov.

Na fotografiách z elektrónového mikroskopu, v závislosti od podmienok izolácie a stupňa natiahnutia, môže chromatín vyzerať nielen ako dlhá niť so zhrubnutiami – „perličky“ nukleozómov, ale aj ako kratšia a hustejšia fibrila (vlákno) s priemerom 30 nm, ktorého tvorba sa pozoruje počas interakcie histón H1 spojený s oblasťou spojky DNA a histónom H3, čo vedie k dodatočnému skrúcaniu špirály šiestich nukleozómov na otáčku s tvorbou solenoidu s priemerom 30 nm . V tomto prípade môže histónový proteín zasahovať do transkripcie množstva génov a tým regulovať ich aktivitu.

V dôsledku vyššie opísaných interakcií DNA s histónmi sa segment dvojzávitnice DNA so 186 pármi báz s priemerným priemerom 2 nm a dĺžkou 57 nm zmení na špirálu s priemerom 10 nm a dĺžkou 5 nm. Následným stlačením tejto špirály na vlákno s priemerom 30 nm sa stupeň kondenzácie zvýši o ďalších šesťkrát.

Výsledkom balenia duplexu DNA s piatimi histónmi je 50-násobná kondenzácia DNA. Avšak aj tak vysoký stupeň kondenzácia nemôže vysvetliť takmer 50 000 až 100 000-násobné zhutnenie DNA v metafázovom chromozóme. Podrobnosti o ďalšom balení chromatínu až po metafázový chromozóm, žiaľ, zatiaľ nie sú známe, preto možno uvažovať len o všeobecných črtách tohto procesu.

Úrovne zhutnenia DNA v chromozómoch

Každá molekula DNA je zabalená do samostatného chromozómu. Diploidné ľudské bunky obsahujú 46 chromozómov, ktoré sa nachádzajú v bunkovom jadre. Celková dĺžka DNA všetkých chromozómov bunky je 1,74 m, ale priemer jadra, v ktorom sú chromozómy zabalené, je miliónkrát menší. Takéto kompaktné balenie DNA v chromozómoch a chromozómoch v bunkovom jadre je zabezpečené rôznymi histónovými a nehistónovými proteínmi interagujúcimi v určitej sekvencii s DNA (pozri vyššie). Zhutnenie DNA v chromozómoch umožňuje zmenšiť jej lineárne rozmery asi 10 000-krát - podmienečne z 5 cm na 5 mikrónov. Existuje niekoľko úrovní zhutnenia (obr. 10).

  • Dvojzávitnica DNA je záporne nabitá molekula s priemerom 2 nm a dĺžkou niekoľko cm.
  • nukleozomálnej úrovni- chromatín vyzerá v elektrónovom mikroskope ako reťaz "guľôčok" - nukleozómov - "na vlákne". Nukleozóm je univerzálna štruktúrna jednotka, ktorá sa nachádza v euchromatíne aj heterochromatíne, v interfázovom jadre a metafázových chromozómoch.

    Nukleozomálnu úroveň zhutnenia zabezpečujú špeciálne proteíny - históny. Osem pozitívne nabitých histónových domén tvorí jadro (jadro) nukleozómu, okolo ktorého je navinutá negatívne nabitá molekula DNA. To vedie k skráteniu o faktor 7, zatiaľ čo priemer sa zväčší z 2 na 11 nm.

  • úroveň solenoidu

    Solenoidová úroveň organizácie chromozómov je charakterizovaná krútením nukleozomálneho vlákna a tvorbou hrubších fibríl s priemerom 20-35 nm z neho - solenoidov alebo superbidov. Rozstup solenoidu je 11 nm, na otáčku pripadá asi 6-10 nukleozómov. Solenoidové balenie sa považuje za pravdepodobnejšie ako superbidné balenie, podľa ktorého je chromatínová fibrila s priemerom 20–35 nm reťazcom granúl alebo superbidov, z ktorých každá pozostáva z ôsmich nukleozómov. Na úrovni solenoidu sa lineárna veľkosť DNA zníži 6-10 krát, priemer sa zväčší na 30 nm.

  • úroveň slučky

    Úroveň slučky je zabezpečená nehistónovými miestne špecifickými DNA-viažucimi proteínmi, ktoré rozpoznávajú a viažu sa na špecifické sekvencie DNA, pričom tvoria slučky s veľkosťou približne 30-300 kb. Slučka zabezpečuje génovú expresiu, t.j. slučka je nielen štruktúrna, ale aj funkčná formácia. Skrátenie na tejto úrovni sa vyskytuje 20-30 krát. Priemer sa zvyšuje na 300 nm. Na cytologických preparátoch možno vidieť slučkovité štruktúry "lampbrush" v oocytoch obojživelníkov. Zdá sa, že tieto slučky sú supercoiled a predstavujú domény DNA, pravdepodobne zodpovedajúce jednotkám transkripcie a replikácie chromatínu. Špecifické proteíny fixujú základy slučiek a prípadne niektoré ich vnútorné oblasti. Organizácia domény podobná slučke uľahčuje skladanie chromatínu v metafázových chromozómoch do špirálových štruktúr vyšších rádov.

  • úrovni domény

    Doménová úroveň organizácie chromozómov nebola dostatočne študovaná. Na tejto úrovni je zaznamenaná tvorba slučkových domén - štruktúry filamentov (fibríl) s hrúbkou 25-30 nm, ktoré obsahujú 60 % proteínu, 35 % DNA a 5 % RNA, sú prakticky neviditeľné vo všetkých fázach bunkového cyklu. výnimkou mitózy a sú trochu náhodne distribuované v bunkovom jadre. Na cytologických preparátoch možno vidieť slučkovité štruktúry "lampbrush" v oocytoch obojživelníkov.

    Slučkové domény sú pripojené svojou bázou k intranukleárnej proteínovej matrici v takzvaných vstavaných pripájacích miestach, často označovaných ako MAR/SAR sekvencie (MAR, z anglického matrix spojeného regiónu; SAR, z anglického scaffold attachment areas) - fragmenty DNA niekoľko stoviek dlhých párov báz, ktoré sa vyznačujú vysokým obsahom (>65 %) párov báz A/T. Zdá sa, že každá doména má jeden začiatok replikácie a funguje ako autonómna supercoiled jednotka. Každá slučková doména obsahuje mnoho transkripčných jednotiek, ktorých fungovanie je pravdepodobne koordinované – celá doména je buď v aktívnom alebo neaktívnom stave.

    Na úrovni domény sa v dôsledku postupného balenia chromatínu lineárne rozmery DNA zmenšujú asi 200-krát (700 nm).

  • úrovni chromozómov

    Na chromozomálnej úrovni sa profázny chromozóm kondenzuje do metafázy so zhutnením domén slučiek okolo axiálneho rámca nehistónových proteínov. Toto supercoiling je sprevádzané fosforyláciou všetkých molekúl H1 v bunke. Výsledkom je, že metafázový chromozóm môže byť znázornený ako husto zbalené solenoidové slučky stočené do tesnej špirály. Typický ľudský chromozóm môže obsahovať až 2600 slučiek. Hrúbka takejto štruktúry dosahuje 1400 nm (dve chromatidy), pričom molekula DNA je skrátená 104-krát, t.j. od 5 cm natiahnutej DNA do 5 um.

Funkcie chromozómov

V interakcii s extrachromozomálnymi mechanizmami poskytujú chromozómy

  1. uchovávanie dedičných informácií
  2. použitie týchto informácií na vytvorenie a udržiavanie bunkovej organizácie
  3. regulácia čítania dedičných informácií
  4. samoduplikácia genetického materiálu
  5. prenos genetického materiálu z materskej bunky do dcérskych buniek.

Existujú dôkazy, že po aktivácii chromatínovej oblasti, t.j. pri transkripcii sa z nej najskôr reverzibilne odstráni histón H1 a potom histónový oktet. To spôsobí dekondenzáciu chromatínu, postupný prechod 30nm chromatínovej fibrily na 10nm filament a jej ďalšie rozvinutie do voľných oblastí DNA, t.j. strata nukleozomálnej štruktúry.

Správanie: evolučný prístup Kurchanov Nikolai Anatolievich

1.2. Organizácia genetického materiálu

Štrukturálna a funkčná organizácia genetického aparátu určuje rozdelenie všetkých živých organizmov na prokaryoty a eukaryoty. V prokaryotoch (ktoré zahŕňajú baktérie a archaea) je DNA reprezentovaná kruhovou molekulou a nachádza sa v cytoplazme bunky. V eukaryotoch (ktoré zahŕňajú všetky ostatné organizmy) je DNA štruktúrnym nosičom genetickej informácie. chromozómy, nachádza v jadre.

Chromozómy sú komplexnou viacúrovňovou štruktúrou, v ktorej DNA interaguje s rôznymi proteínmi. Základná úroveň táto štruktúra je nukleozómyčo sú guľôčky ôsmich proteínových molekúl históny, prepletená DNA. Nukleohistónové vlákno je ďalej mnohokrát zložené, čím sa vytvárajú kompaktné chromozómy. Táto štruktúra otvára široké možnosti regulácie.

Keďže počet génov v organizme je neporovnateľný ďalšie číslo chromozómov, je jasné, že každý chromozóm nesie veľa génov. Každý gén zaberá špecifické miesto na chromozóme. lokus. Gény umiestnené na rovnakom chromozóme sa nazývajú spojený.

Malá časť genetickej informácie eukaryotickej bunky sa okrem jadra nachádza v organelách ako sú mitochondrie a chloroplasty, ktoré majú svoje genetické systémy: vlastnú DNA, rôzne RNA (i-RNA, t-RNA, r -RNA) a ribozómy, čo umožňuje samostatnú syntézu zvierača. Kruhová DNA týchto organel bola dôležitým argumentom v prospech ich bakteriálneho symbiotického pôvodu na úsvite formovania života.

Bunkové jadro eukaryotov oddeľuje procesy transkripcie a translácie, čo poskytuje dostatok príležitostí na reguláciu. Regulácia prebieha vo všetkých štádiách expresie eukaryotických génov. Ich ďalším krokom je spracovanie - proces zložitých premien RNA syntetizovaných počas transkripcie. Najdôležitejšou zložkou spracovania mRNA je spájanie, pri ktorej prebieha rezanie intróny(nekódujúce oblasti génu) a zosieťovanie exóny(kódujúce oblasti). Exóny a intróny určujú "mozaikovú" štruktúru eukaryotických génov. Výsledkom spracovania je, že RNA syntetizovaná v jadre sa stáva funkčne aktívnou.

Pochopenie rôznych mechanizmov regulácie spôsobilo v súčasnosti radikálne zmeny v našich predstavách o štruktúrnej a funkčnej organizácii genetického aparátu.

Jeden zo zakladateľov moderná genetika, vynikajúci dánsky vedec V. Johannsen (1857–1927) navrhol základné genetické pojmy - gén, alela, genotyp, fenotyp, ktoré určujú genetické vlastnosti jedinca.

Gény umiestnené v ich lokusoch môžu mať varianty − alely. Lokus, ktorý má v populácii viac ako jednu alelu, sa nazýva polymorfný. Alely sú zvyčajne označené písmenami latinskej alebo gréckej abecedy, a ak ich je veľa, potom horným indexom. Počet alel rôznych génov v populáciách organizmov môže byť rôzny. Niektoré gény majú veľa alel, iné ich má málo. V každom prípade je počet alel obmedzený evolučnými faktormi: alely, ktoré zhoršujú adaptačné vlastnosti druhu alebo sú nezlučiteľné so životom, sú eliminované prirodzeným výberom.

Konkrétny eukaryotický organizmus má iba dve alely jedného génu: podľa počtu homológnych lokusov homológnych chromozómov (otcovského a materského). Organizmus, v ktorom sú obe alely rovnaké, sa nazýva homozygotný(pre tento gén). Organizmus, ktorý má rôzne alely, sa nazýva heterozygotný(obr. 1.4). Alely lokalizované na pohlavných chromozómoch heterogametického pohlavia môžu byť prítomné v jednotnom čísle.

Genotyp môžu byť reprezentované ako súbor alel organizmu, a fenotyp - ako súbor jeho vonkajších znakov.

Zaviedol ho v roku 1920 nemecký botanik G. Winkler (1877–1945), termín genóm sa stala charakteristikou celého druhu organizmov, a nie konkrétneho jedinca. Tento koncept sa neskôr stal jedným z najdôležitejších. Do 80. rokov 20. storočia 20. storočie vzniká nové odvetvie genetiky, genomika. Pôvodne bol genóm charakterizovaný ako súbor haploidných génových lokusov. Ukázalo sa však, že samotné gény zaberajú pomerne malú časť genómu, hoci tvoria jeho základ. Väčšinu z nich zaberajú intergénne regióny, kde sú regióny s regulačnou funkciou, ako aj regióny neznámeho určenia. Regulačné oblasti sú neoddeliteľne spojené s génmi, sú to akési „návody“, ktoré určujú prácu génov v rôznych štádiách vývoja organizmu. Preto sa genóm v súčasnosti nazýva celý súbor DNA bunky, charakteristický pre DNA daného druhu.

V súčasnej fáze vývoja genetiky sa genomika stáva jednou z jej kľúčových sekcií. Úspech genomiky jasne preukázalo úspešné ukončenie Programu ľudského genómu.

Ryža. 1.4. Alely spojených génov dvoch homológnych chromozómov

Z knihy Mikrobiológia: poznámky z prednášok autora Tkačenko Ksenia Viktorovna

1. Organizácia dedičného materiálu baktérií Dedičný aparát baktérií predstavuje jeden chromozóm, ktorým je molekula DNA, je špirálovito poskladaný do prstenca. Tento kruh je v jednom bode pripojený k cytoplazmatickej membráne. Zapnuté

Z knihy Kríza agrárnej civilizácie a geneticky modifikovaných organizmov autora Glazko Valerij Ivanovič

Prístupy k detekcii cudzieho genetického materiálu v potravinách

Z knihy PEČIATKA TVORCA. Hypotéza o pôvode života na Zemi. autora Filatov Felix Petrovič

Druhá časť? Genetický kódovací stroj

Z knihy Základy psychofyziológie autora Alexandrov Jurij

Kapitola 11. Mechanika genetického kódovania (XI) Môžete si o tom prečítať v ktorejkoľvek učebnici. A predsa – aby sme uľahčili pochopenie nasledujúcej úvahy – sa veľmi stručne zastavíme pri prevádzke kódovacieho stroja. Barbieri pripisuje vznik takýchto strojov

Z knihy Fenetika [Evolúcia, populácia, znamenie] autora Jablokov Alexej Vladimirovič

Tretia časť? Aritmetika genetického kódovania

Z knihy Značka Stvoriteľa autora Filatov Felix Petrovič

Kapitola A. Analógové tabuľky genetického kódu (XIII) Prvý, kto sa pokúsil zefektívniť tabuľku genetického kódu a postaviť ju na racionálnom základe, bol náš vynikajúci vedec Jurij Borisovič Rumer. Bol to fyzik, študent Maxa Borna, dobre vedel Albert Einstein,

Z knihy autora

Kapitola B. Baryónová digitalizácia genetického kódu (XIV) FORMÁTY 1D a 2D Presne povedané, konzervované kvantové číslo systému sa nazýva baryónové číslo. Do tejto témy sa nemusíme púšťať. Možno stojí za to pripomenúť len to, že baryón je elementárna častica,

Z knihy autora

8.6. Význam materiálu patológie pre štúdium systémovej organizácie správania

Z knihy autora

Mutačný proces - prvý dodávateľ evolučného materiálu Elementárne evolučné faktory sa rozlišujú na základe povahy a charakteru ich vplyvu na populácie, ako aj na základe výsledkov tlaku, ktorý na populácie vyvíjajú. Zároveň nevyhnutné a dostatočné

Z knihy autora

Populačné fluktuácie – druhý dodávateľ materiálu pre evolúciu Jedným z najdôležitejších evolučných faktorov sú periodické zmeny počtu jedincov, populačné vlny. V tomto prípade hovoríme o výkyvoch v pozitívnom a negatívnom smere, ktoré sa navzájom nahrádzajú.

Z knihy autora

Štúdium dynamiky genetického zloženia populácie Na začiatku tejto knihy bolo zdôraznené, že jeden z kritické úlohy moderný populačný výskum – získavanie materiálov o širokej škále evolučných situácií v prirodzených populáciách, najmä,

Z knihy autora

Kapitola A. Analógové tabuľky genetického kódu (XIII) Prvý, kto sa pokúsil zefektívniť tabuľku genetického kódu a postaviť ju na racionálnom základe, bol náš vynikajúci vedec Jurij Borisovič Rumer. Bol fyzikom, študentom Maxa Borna, dobre poznal Alberta Einsteina,

Z knihy autora

Kapitola B. Baryonová digitalizácia genetického kódu (xiv)

Možno vás bude zaujímať