Из школьного курса биологии всем известно о том, что ДНК – это «банк данных», в котором хранится информация обо всем живом. Именно ДНК делает возможной передачу данных о развитии и функционировании живых организмов при их размножении. Дезоксирибонуклеиновая кислота – основа всего живого. Именно благодаря этой молекуле, все организмы способны сохранять свою популяцию. А что Вы знаете о человеческой ДНК?
В 1869 году мир узнал о существовании ДНК: это открытие сделал Иоганн Фридрих Мишер. А еще через почти 100 лет (1953 году) два выдающихся ученых сделали сенсационное открытие: ДНК состоит из двойной спирали. Этими учеными были Френсис Крик и Джеймс Уотсон. С тех пор, вот уже более 50 лет, ученые всего мира пытаются раскрыть все тайны ДНК.
ДНК человека – загадка раскрыта:
– ДНК всех людей на планете на 99,9 % - идентична, и только на 0,1% - уникальна. Именно этот 0,1 % влияет на то, кто мы и какие мы. Иногда так случается, что это значение (0,1%) проявляет себя очень неожиданным образом: рождаются дети, похожие не на родителей, а на прабабушку или прадеда одного из родителей, а иногда проявляются еще более дальние предки.
– Мы на 30% салат и на 50% банан! И это действительно так: ДНК каждого из нас, не зависимо от возраста, пола, цвета кожи и других признаков, идентично с ДНК листьев салата и бананом на 30 и 50 процентов соответственно.
– Эритроциты (красные кровяные тельца) – единственные клетки, в которых отсутствует ДНК.
– В ДНК человека 80 тыс. генов, а 200 из них унаследовано от бактерии.
– Очень редко на свет появляются люди, у которых не 1, а 2 набора ДНК. Таких людей называют химерами, в их организме органы имеют разные ДНК.
– У человека всего на 2 хромосомы меньше, чем у шимпанзе.
– У генетического кода человека 2 значения. Ранее считалось, что значение 1, но американский ученый Джон Стаматойаннопулос вместе со своей командой в 2013 году открыл второе значение. Благодаря этому открытию западная медицина начала развиваться в направлении изучения генома человека, что в дальнейшем позволит проводить «генетическое» лечение.
– В космосе есть «Диск бессмертия», на котором хранятся оцифрованные ДНК некоторых выдающихся личностей.
– На нашей планете есть живые организмы, чье ДНК при наиболее благоприятных условиях жизни могло бы обеспечить им бессмертие. Но человек к их числу не относится.
И это далеко не все загадки маленькой молекулы, без которой жизнь на Земле была бы невозможной.
Новый взгляд на ДНК
ДНК для большинства из нас представляет глубокую тайну. Мы слышим это слово, вроде бы понимаем его значение, но даже не представляем себе, насколько это сложная штука и зачем она, собственно, нужна. Итак, давайте попробуем вместе в этом разобраться. Сначала поговорим о том, чему нас учили в школе, а затем о том, чему не учили.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - это главная программа человека. С химической точки зрения это очень длинная полимерная молекула, имеющая вид двух цепочек, спирально закручивающихся вокруг друг друга. Каждая цепь состоит из повторяющихся «строительных блоков», называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из сахара (дезоксирибозы), фосфатной группы и собственно азотистого основания. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счет дезоксирибозы и фосфатной группы. А азотистые основания обеспечивают связь между двумя спиральными цепями. То есть собственно создание живой материи. Основания бывают четырех видов. И именно их последовательность формирует генетический код.
Генетический код Человека содержит в себе около трех миллиардов пар оснований ДНК и около 23 000 генов (по последним подсчетам), которые отвечают за все свойственные нам признаки и качества. Сюда входит все, что мы получаем от природы, а также то, что мы наследуем от родителей и их родителей. Ген - это единица наследственности живого организма. В нем может содержаться информация о цвете глаз, о том, как создать почку, и о наследственных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера. Так что наследственность - это не только качества родителей, но и общие качества человека. Можно сказать, что гены содержат все, что в нас есть человеческого, вместе с уникальными особенностями, унаследованными от родителей. Возможно, вы слышали также об РНК (рибонуклеиновой кислоте). Она участвует в процессе транскрипции, с которого фактически начинается производство белков и управление ими. ДНК - это матрица, на которой создается РНК, и программа, которой следует этот процесс.
Слушайте внимательно: эту крошечную молекулу в виде двойной спирали можно увидеть только в очень мощный электронный микроскоп. Но она состоит из трех миллиардов частей! Можете себе представить, насколько малы эти части? Мы, по сути, видим лишь форму ДНК, отрытую Уотсоном и Криком в Англии в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Розалинд Франклин. <…>
Потребовалось еще 43 года, прежде чем в феврале 2001 года ученые смогли нарисовать структуру всей молекулы ДНК. <…>
Затем началась настоящая работа, ведь исследование структуры показало лишь общее химическое строение ДНК. Представьте, что это буквы в гигантской книге. Теперь ученые знали каждую букву, но понятия не имели, что это за язык! Им необходимо было разгадать язык, чтобы увидеть всю картину, понять слова в книге и найти гены. Именно тогда они обнаружили, что дело принимает неожиданный оборот. Лучшие ученые и мощнейшие компьютеры страны изо всех сил старались найти коды, которые ожидали увидеть в химической структуре генома человека.
Мы мыслим трехмерно. С этим ничего не поделаешь. Такова наша реальность, и нельзя надеяться, что мы избежим этого. Но часто это мешает нам видеть большую картину. Наука сейчас начинает громогласно заявлять, что Вселенная и все находящееся в ней - многомерны. Так что рано или поздно нам придется изобрести математику, которая смогла бы соответствовать такой модели, а также открыть новые физические законы и научиться более широкому мышлению. А пока что ученые делают очень серьезные предположения о том, что геном человека линеен и вся генетическая структура человека заключена в трех миллиардах «букв» ДНК. Но это не так. <…>
Вопреки всей логике, ученые не смогли найти коды, хотя абсолютно точно знали, что они там есть. Они использовали лучшие современные компьютеры, способные взламывать коды, в поисках той симметрии, которую порождает любой язык. И они нашли ее. Находка наверняка сразила их наповал, и в то же время подбросила им величайшую биологическую загадку века.
Из всей химической структуры сложнейшего генома Человека лишь 4% несут в себе код! Только кодирующая белок ДНК содержит в себе четкий код для производства генов, и его присутствие там было вполне очевидно. Это настолько трехмерно, что буквально можно было увидеть отметки «старт» и «стоп» в последовательности генов! Как и современные компьютерные коды, химия подстраивалась под наши ожидания, но лишь малая часть генома Человека участвовала в производстве 23 000 генов человеческого тела. Все остальное находилось там как бы «ни для чего».
Позвольте привести вам аналогию подобного разочарования. Над нами появляется летающая тарелка. Она проделывает удивительные трюки - зависает в воздухе, игнорирует гравитацию и ведет себя так, как мы и ожидаем от летающей тарелки. Затем она приземляется. Мы приближаемся и понимаем, что внутри никого нет. Видимо, это просто робот-зонд, посланный на Землю. Внезапно верхняя часть тарелки поднимается, приглашая лучших ученых взглянуть на принципы ее работы. Мы очень возбуждены, понимая, что близки к разгадке неких тайн. Мы вот-вот откроем новую физику! Мы начинаем искать двигатель, и нас ожидает сюрприз: двигательный отсек доверху набит каким-то мусором! Нет, пожалуй, это скорее похоже на пенопластовые гранулы, которые у нас засыпают в качестве наполнителя в упаковки с посудой. Эти гранулы явно связаны друг с другом, какая-то их часть даже шевелится, но они ничего не делают. В этом материале не видно никакой структуры; он просто заполняет пространство. Вы раскапываете «наполнитель» лопатой, выбрасываете гранулы ведро за ведром и наконец находите крошечный блестящий предмет, из которого выходят какие-то провода. Очевидно, что этот предмет и есть двигатель, сердце корабля. Такой маленький! Помещается в ладонь, а управляет всем! Вы пытаетесь его запустить. И тут выясняется, что без «наполнителя» летающая тарелка не хочет летать. Вы засыпаете гранулы обратно - и тарелка снова летает! Так что, получается, «наполнитель» все-таки что-то делает? Или нет? Как может наполнитель что-то делать? Ошибка понятна. Мы ожидали увидеть двигатель - нечто сверкающее, опутанное проводами, линейное и завершенное по своей структуре, - и мы нашли это. То, что показалось нам «наполнителем», «упаковкой», мы тут же выбросили. Вы понимаете, в чем оплошность и в чем метафора?
Получался анекдот. ДНК состоит из трех миллиардов частей, большая часть которых ничего не делает! Лишь четыре крошечных процента выполняют всю работу! Что за ерунда! Мы знаем, что природа очень рациональна. Мы можем наблюдать за эволюцией живых существ даже в течение одной нашей жизни, и мы понимаем, насколько природа целесообразна. Если рыбы оказываются запертыми в подземной пещере, то через десять лет, или около того, у них исчезают глаза. Природа вычеркивает все, в чем нет необходимости, и мы видим это повсюду. Однако 96% нашей ДНК являются просто мусором! Мы, вершина эволюции, на 96% состоим из мусора? Это противоречит всему, что мы наблюдаем в природе, однако именно так и выходило . Части ДНК, не кодирующие белок, даже лучшими умами были объявлены «мусором». Участки, не кодирующие белок, были случайными, не обладали ни симметрией, ни видимой целью и казались бесполезными.
Знакомьтесь: нетрехмерные мыслители
Попробуем подойти к нашей летающей тарелке с новыми идеями. Возможно, этот на вид хаотичный «наполнитель» вовсе не является частью двигателя. Может быть, это карта! В конце концов, корабль должен знать, куда направляется. Затем вы думаете, что это какой-то иной тип карты. Может быть, в квантовом состоянии кораблю нужна квантовая карта? Что это могло бы быть? Что должно быть нечто такое, что позволило бы ему существовать в линейном мире, но могло бы отдавать инструкции крошечному блестящему двигателю, чтобы тот контролировал судно в трех измерениях. В данном случае мы знаем, что у корабля есть многомерные характеристики, потому что он может контролировать свою массу. Мы также знаем из нашей квантовой физики, что, когда мы переходим в многомерный мир, время и пространство, какими мы их знаем, перестают существовать. Эти два понятия заменяются потенциалами и полностью нелинейным и запутанным обилием «событийных правил», которые в третьем измерении имеют для нас очень мало смысла. Таким образом, странный и хаотичный «наполнитель» вовсе не является неупорядоченным - просто он выглядит таковым для трехмерных созданий (вас, меня и ученых)! Он должен быть именно там, где и находится, чтобы у двигателя была возможность перемещать корабль. Можно сказать, что «наполнитель» - это модификатор двигателя, и он должен присутствовать в значительных количествах, потому что ему очень много нужно «сказать» двигателю о том, как двигаться многомерным способом.
Годами мы мирились с выражением «мусорная ДНК». Однако вдруг мы начали мыслить иначе. «Что, если, - сказал кто-то, - в мусоре нет кода, потому что его там и не должно быть? Что, если эти 96% ДНК каким-то образом содержат нелинейные квантовые правила, которые руководят закодированными частями?» Это совершенно новая и спорная концепция - но она, по крайней мере, выходит за пределы ограниченной трехмерной логики!
Вот сообщение из Калифорнийского университета в Сан-Диего от 13 июля 2007 года, переданное в новостях «Си-Би-Эс»:
Так называемая «мусорная ДНК» - 96% генома человека, кажущиеся бесполезными, - может играть более важную роль, чем предполагает ее название, утверждают американские ученые. Международная группа ученых обнаружила, что какая-то часть «мусорной» ДНК может служить для создания рамок, помогающих должным образом организовать остальные 4%. «Некоторую часть мусорной ДНК можно считать знаками препинания, запятыми и точками, помогающими понять смысл закодированных участков генома», - говорит соавтор этой теории Виктория Луняк, научный сотрудник КУСД.
Я думаю, что мы начинаем видеть многомерный аспект своей биологии, который, очевидно, огромен! Что, если 96% нашей ДНК - набор инструкций для остальных 4%? Тогда эта часть совсем не хаотична, она просто кажется таковой трехмерному мышлению. Могут ли знаки препинания казаться буквами алфавита? Нет. Тогда что это? Обладают ли они симметрией? Произносятся ли они как-нибудь? Нет. Если вы посмотрите на знаки препинания в нашем языке, то может показаться, что они расставлены в случайном порядке. Если бы вы, например, посмотрели на эту страницу, ничего не зная о языке и о его устройстве, то знаки препинания показались бы вам бессмысленными. Они не обладают симметрией. Если вы пропустите эту страницу через суперкомпьютер, он в конечном итоге определит слова и их вероятный смысл, но не знаки препинания.
Подумайте об этом. Двигатель, который мы искали в летающей тарелке, действительно был там. Эта доля в 4%, кодирующая белок, служит «блестящим мотором». А «мусор» - это 96%, похожие на гранулированный наполнитель. Теперь мы подозреваем, что происходит нечто совершенно иное, и 96 % на самом деле могут оказаться многомерным шаблоном конструктора, а 4% - просто двигателем, который подчиняется его замыслу.
Разве это соотношение не кажется вам интересным? Согласно учению Крайона, лишь 8% ДНК находятся в третьем измерении, а 92% ДНК управляют остальной частью.
Возможно, мы становимся свидетелями постепенного признания того факта, что функции ДНК значительно отличаются от наших ожиданий и она - нечто более сложное, чем просто код, который можно считывать химически.
отрывки из книги Крайона и Ли Кэрролла, «Двенадцать слоёв ДНК»
Молекула ДНК состоит из двух нитей, образующих двойную спираль. Впервые ее структура была расшифрована Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году.
Поначалу молекула ДНК, состоящая из пары нуклеотидных, закрученных друг вокруг друга цепочек, порождала вопросы о том, почему именно такую форму она имеет. Ученые назвали этот феномен комплементарностью, что означает, что в ее нитях друг напротив друга могут находиться исключительно определенные нуклеотиды. К примеру, напротив тимина всегда стоит аденин, а напротив цитозина - гуанин. Эти нуклеотиды молекулы ДНК и называются комплементарными.
Схематически это изображается так:
Т — А
Ц — Г
Данные пары образуют химическую нуклеотидную связь, которая определяет порядок расстановки аминокислот. В первом случае она немного слабее. Связь между Ц и Г более прочная. Некомплементарные нуклеотиды между собой пары не образуют.
О строении
Итак, строение молекулы ДНК особое. Такую форму она имеет неспроста: дело в том, что количество нуклеотидов очень большое, и для размещения длинных цепочек необходимо много места. Именно по этой причине цепочкам присуще спиральное закручивание. Это явление названо спирализацией, оно позволяет нитям укорачиваться где-то в пять-шесть раз.
Некоторые молекулы такого плана организм использует очень активно, другие - редко. Последние, помимо спирализации, подвергаются еще и такой «компактной упаковке», как суперспирализация. И тогда длина молекулы ДНК уменьшается в 25-30 раз.
Что такое «упаковка» молекулы?
В процессе суперспирализации задействуются гистоновые белки. Они имеют структуру и вид катушки для ниток или стержня. На них и наматываются спирализованные нити, которые становятся сразу «компактно упакованными» и занимают мало места. Когда возникает необходимость использования той или иной нити, она сматывается с катушки, к примеру, гистонового белка, и спираль раскручивается в две параллельные цепочки. Когда молекула ДНК пребывает именно в таком состоянии, с нее можно считывать необходимые генетические данные. Однако есть одно условие. Получение информации возможно, только если структура молекулы ДНК имеет раскрученный вид. Хромосомы, доступные для считывания, называются эухроматинами, а если они суперсипирализованы, то это уже гетерохроматины.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты, как и белки, являются биополимерами. Главная функция - это хранение, реализация и передача наследственной (генетической информации). Они бывают двух типов: ДНК и РНК (дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые). Мономерами в них выступают нуклеотиды, каждый из которых имеет в своем составе остаток фосфорной кислоты, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза/рибоза) и азотистое основание. В ДНК код входит 4 вида нуклеотидов - аденин (А)/ гуанин (Г)/ цитозин (Ц)/ тимин (Т). Они отличаются по содержащемуся в их составе азотистому основанию.
В молекуле ДНК количество нуклеотидов может быть огромным - от нескольких тысяч до десятков и сотен миллионов. Рассмотреть такие гигантские молекулы можно через электронный микроскоп. В этом случае удастся увидеть двойную цепь из полинуклеотидных нитей, которые соединены между собой водородными связями азотистых оснований нуклеотидов.
Исследования
В ходе исследований ученые обнаружили, что виды молекул ДНК у разных живых организмов отличаются. Также было установлено, что гуанин одной цепи может связываться только лишь с цитозином, а тимин - с аденином. Расположение нуклеотидов одной цепи строго соответствует параллельной. Благодаря такой комплементарности полинуклеотидов молекула ДНК способна к удвоению и самовоспроизведению. Но сначала комплементарные цепи под воздействием специальных ферментов, разрушающих парные нуклеотиды, расходятся, а затем в каждой из них начинается синтез недостающей цепи. Это происходит за счет имеющихся в большом количестве в каждой клетке свободных нуклеотидов. В результате этого вместо «материнской молекулы» формируются две «дочерние», идентичные по составу и структуре, и ДНК-код становится исходным. Данный процесс является предшественником клеточного деления. Он обеспечивает передачу всех наследственных данных от материнских клеток дочерним, а также всем последующим поколениям.
Как читается генный код?
Сегодня вычисляется не только масса молекулы ДНК - можно узнать и более сложные, ранее не доступные ученым данные. Например, можно прочитать информацию о том, как организм использует собственную клетку. Конечно, сначала сведения эти находятся в закодированном виде и имеют вид некой матрицы, а потому ее необходимо транспортировать на специальный носитель, коим выступает РНК. Рибонуклеиновой кислоте под силу просачиваться в клетку через мембрану ядра и уже внутри считывать закодированную информацию. Таким образом, РНК - это переносчик скрытых данных из ядра в клетку, и отличается она от ДНК тем, что в её состав вместо дезоксирибозы входит рибоза, а вместо тимина - урацил. Кроме того, РНК одноцепочная.
Синтез РНК
Глубокий анализ ДНК показал, что после того как РНК покидает ядро, она попадает в цитоплазму, где и может быть встроена как матрица в рибосомы (специальные ферментные системы). Руководствуясь полученной информацией, они могут синтезировать соответствующую последовательность белковых аминокислот. О том, какую именно разновидность органического соединения необходимо присоединить к формирующейся белковой цепи, рибосома узнает из триплетного кода. Каждой аминокислоте соответствует свой определенный триплет, который ее и кодирует.
После того как формирование цепочки завершено, она приобретает конкретную пространственную форму и превращается в белок, способный осуществлять свои гормональные, строительные, ферментные и иные функции. Для любого организма он является генным продуктом. Именно из него определяются всевозможные качества, свойства и проявления генов.
Гены
В первую очередь процессы секвенирования разрабатывались с целью получения информации о том, сколько генов имеет структура молекулы ДНК. И, хотя исследования позволили ученым далеко продвинуться в этом вопросе, узнать точное их количество пока что не представляется возможным.
Еще несколько лет назад предполагалось, что молекулы ДНК содержат приблизительно 100 тыс. генов. Немного погодя цифра уменьшилась до 80 тысяч, а в 1998 г. генетиками было заявлено, что в одной ДНК присутствует только 50 тысяч генов, которые являются всего лишь 3 % всей длины ДНК. Но поразили последние заключения генетиков. Теперь они утверждают, что в геном входит 25-40 тысяч упомянутых единиц. Получается, что за кодирование белков отвечает только 1,5 % хромосомной ДНК.
На этом исследования не прекратились. Параллельная команда специалистов генной инженерии установила, что численность генов в одной молекуле составляет именно 32 тысячи. Как видите, получить окончательный ответ пока что невозможно. Слишком много противоречий. Все исследователи опираются только на свои полученные результаты.
Было ли эволюционирование?
Несмотря на то что нет никаких доказательств эволюции молекулы (так как строение молекулы ДНК хрупкое и имеет малый размер), все же учеными было высказано одно предположение. Исходя из лабораторных данных, они озвучили версию следующего содержания: молекула на начальном этапе своего появления имела вид простого самовоспроизводящегося пептида, в состав которого входило до 32 аминокислот, содержащихся в древних океанах.
После саморепликации, благодаря силам естественного отбора, у молекул появилась способность защищать себя от воздействия внешних элементов. Они стали дольше жить и воспроизводиться в больших количествах. Молекулы, нашедшие себя в липидном пузыре, получили все шансы для самовоспроизведения. В результате череды последовательных циклов липидные пузыри приобрели форму клеточных мембран, а уже далее - всем известных частиц. Следует отметить, что сегодня любой участок молекулы ДНК представляет собой сложную и четко функционирующую структуру, все особенности которой учеными до конца еще не изучены.
Современный мир
Недавно ученые из Израиля разработали компьютер, которому под силу выполнять триллионы операций в секунду. Сегодня это самая быстрая машина на Земле. Весь секрет заключается в том, что инновационное устройство функционирует от ДНК. Профессора говорят, что в ближайшей перспективе такие компьютеры смогут даже вырабатывать энергию.
Специалисты из института Вейцмана в Реховоте (Израиль) год назад заявили о создании программируемой молекулярной вычислительной машины, состоящей из молекул и ферментов. Ими они заменили микрочипы из кремния. К настоящему времени команда еще продвинулась вперед. Теперь обеспечить компьютер необходимыми данными и предоставить нужное топливо может всего одна молекула ДНК.
Биохимические «нанокомпьютеры» - это не выдумка, они уже существуют в природе и проявлены в каждом живом существе. Но зачастую они не управляются людьми. Человек пока что не может оперировать геном какого-либо растения, чтобы рассчитать, скажем, число «Пи».
Идея об использовании ДНК для хранения/обработки данных впервые посетила светлые головы ученных в 1994 году. Именно тогда для решения простой математической задачи была задействована молекула. С того момента ряд исследовательских групп предложил различные проекты, касающиеся ДНК-компьютеров. Но здесь все попытки основывались только на энергетической молекуле. Невооруженным глазом такой компьютер не увидишь, он имеет вид прозрачного раствора воды, находящегося в пробирке. В нем нет никаких механических деталей, а только триллионы биомолекулярных устройств - и это только в одной капле жидкости!
ДНК человека
Какой вид у ДНК человека, людям стало известно в 1953 году, когда ученые впервые смогли продемонстрировать миру двухцепочную модель ДНК. За это Кирк и Уотсон получили Нобелевскую премию, так как данное открытие стало фундаментальным в 20 веке.
Со временем, конечно, доказали, что не только так, как в предложенном варианте, может выглядеть структурированная молекула человека. Проведя более детальный анализ ДНК, открыли А-, В- и левозакрученную форму Z-. Форма А- зачастую является исключением, так как образуется только в том случае, если наблюдается недостаточность влаги. Но это возможно разве что при лабораторных исследованиях, для естественной среды это аномально, в живой клетке такой процесс происходить не может.
Форма В- является классической и известна как двойная правозакрученная цепь, а вот форма Z- не только закручена в обратном направлении, влево, но также имеет более зигзагообразный вид. Учеными выделена еще и форма G-квадруплекс. В ее структуре не 2, а 4 нити. По мнению генетиков, возникает такая форма на тех участках, где имеется избыточное количество гуанина.
Искусственная ДНК
Сегодня уже существует искусственная ДНК, являющаяся идентичной копией настоящей; она идеально повторяет структуру природной двойной спирали. Но, в отличие от первозданного полинуклеотида, в искусственном - всего два дополнительных нуклеотида.
Так как дубляж создавался на основе информации, полученной в ходе различных исследований настоящей ДНК, то он также может копироваться, самовоспроизводиться и эволюционировать. Над созданием такой искусственной молекулы специалисты работали около 20 лет. В результате получилось удивительное изобретение, которое может пользоваться генетическим кодом так же, как и природная ДНК.
К четырем имеющимся азотистым основаниям генетики добавили дополнительные два, которые создали методом химической модификации естественных оснований. В отличие от природной, искусственная ДНК получилась достаточно короткой. Она содержит только 81 пару оснований. Тем не менее она также размножается и эволюционирует.
Репликация молекулы, полученной искусственным путем, имеет место благодаря полимеразной цепной реакции, но пока что это происходит не самостоятельно, а через вмешательство ученых. В упомянутую ДНК они самостоятельно добавляют необходимые ферменты, помещая ее в специально подготовленную жидкую среду.
Конечный результат
На процесс и конечный итог развития ДНК могут влиять различные факторы, например мутации. Это обуславливает обязательное изучение образцов материи, чтобы результат анализов был достоверным и надежным. В качестве примера можно привести тест на отцовство. Но не может не радовать, что такие казусы, как мутация, встречаются редко. Тем не менее образцы материи всегда перепроверяют, чтобы на основе анализа получить более точную информацию.
ДНК растений
Благодаря высоким технологиям секвенирования (HTS) совершена революция и в области геномики - выделение ДНК из растений также возможно. Конечно, получение из растительного материала молекулярной массы ДНК высокого качества вызывает некоторые трудности, обусловленные большим числом копий митохондрий и хлоропластов ДНК, а также высоким уровнем полисахаридов и фенольных соединений. Для выделения рассматриваемой нами структуры в этом случае задействуются самые разные методы.
Водородная связь в ДНК
За водородную связь в молекуле ДНК отвечает электромагнитное притяжение, создаваемое между положительно заряженным атомом водорода, который присоединен к электроотрицательному атому. Данное дипольное взаимодействие не подпадает под критерий химической связи. Но она может осуществиться межмолекулярно либо в различных частях молекулы, т. е. внутримолекулярно.
Атом водорода присоединяется к электроотрицательному атому, являющемуся донором данной связи. Электроотрицательным атомом может быть азот, фтор, кислород. Он - путем децентрализации - привлекает к себе электронное облако из водородного ядра и делает атом водорода заряженным (частично) положительно. Так как размер Н маленький, по сравнению с другими молекулами и атомами, заряд получается также малым.
Расшифровка ДНК
Прежде чем расшифровать молекулу ДНК, ученные сначала берут огромное количество клеток. Для наиболее точной и успешной работы их необходимо около миллиона. Полученные в процессе изучения результаты постоянно сравнивают и фиксируют. Сегодня расшифровка генома - это уже не редкость, а доступная процедура.
Конечно, расшифровывать геном одной клетки - это нецелесообразное занятие. Полученные в ходе таких исследований данные для ученых не представляют никакого интереса. Но важно понимать, что все существующие на данный момент методы декодировки, несмотря на их сложность, недостаточно эффективны. Они позволят считывать только 40-70 % ДНК.
Однако гарвардские профессора недавно заявили о способе, благодаря которому можно расшифровать 90 % генома. Методика основана на добавлении к выделенным клеткам молекул-праймеров, с помощью них и начинается репликация ДНК. Но даже и этот метод нельзя считать успешным, его еще нужно доработать, прежде чем открыто использовать в науке.
Молекулярная биология является одним из важнейших разделов биологических наук и подразумевает детализированное изучение клеток живых организмов и их составляющих. В сферу ее исследований входит множество жизненно важных процессов, таких как рождение, дыхание, рост, смерть.
Бесценным открытием молекулярной биологии стала расшифровка генетического кода высших существ и определение способности клетки хранить и передавать генетическую информацию. Основная роль в этих процессах принадлежит нуклеиновым кислотам, которых в природе различают два вида – ДНК и РНК. Что представляют собой эти макромолекулы? Из чего они состоят и какие биологические функции выполняют?
Что такое ДНК?
ДНК расшифровывается как дезоксирибонуклеиновая кислота. Она представляет собой одну из трех макромолекул клетки (две другие – белки и рибонуклеиновая кислота), которая обеспечивает сохранение и передачу генетического кода развития и деятельности организмов. Простыми словами, ДНК – носитель генетической информации. В ее составе содержится генотип индивида, который обладает способностью к самовоспроизводству и передает информацию по наследству.
Как химическое вещество кислота была выделена из клеток еще в 1860-х годах, однако вплоть до середины XX столетия никто и не предполагал, что она способна хранить и передавать информацию.
Долгое время считалось, что эти функции выполняют белки, однако в 1953 году группа биологов сумела значительно расширить понимание сути молекулы и доказать первостепенную роль ДНК в сохранении и передаче генотипа. Находка стала открытием века, а ученые получили за свою работу Нобелевскую премию.
Из чего состоит ДНК?
ДНК является крупнейшей из биологических молекул и представляет собой четыре нуклеотида, состоящих из остатка фосфорной кислоты. В структурном отношении кислота достаточно сложная. Ее нуклеотиды соединяются между собой длинными цепями, которые объединяются попарно во вторичные структуры – двойные спирали.
ДНК имеет свойство повреждаться радиацией или различными окисляющими веществами, в силу чего в молекуле происходит процесс мутации. Функционирование кислоты напрямую зависит от ее взаимодействия с еще одной молекулой – белками. Вступая с ними во взаимосвязь в клетке, она образует вещество хроматин, внутри которого осуществляется реализация информации.
Что такое РНК?
РНК – это рибонуклеиновая кислота, содержащая в себе азотистые основания и остатки фосфорных кислот.
Существует гипотеза, что она является первой молекулой, получившей способность к самовоспроизводству еще в эпоху формирования нашей планеты – в добиологических системах. РНК и сегодня входит в геномы отдельных вирусов, выполняя в них ту роль, которую у высших существ играет ДНК.
Рибонуклеиновая кислота состоит из 4-х нуклеотидов, но вместо двойной спирали, как в ДНК, ее цепочки соединяются одинарной кривой. В нуклеотидах содержится рибоза, принимающая активное участие в обмене веществ. В зависимости от способности кодировать белок РНК делятся на матричную и некодирующие.
Первая выступает своего рода посредником в передаче закодированной информации рибосомам. Вторые не могут кодировать белки, но обладают другими возможностями – трансляцией и лигированием молекул.
Чем ДНК отличается от РНК?
По своему химическому составу кислоты очень схожи друг с другом. Обе относятся к линейным полимерам и являют собой N-гликозид, созданный из остатков пятеуглеродного сахара. Разница между ними в том, что сахарный остаток РНК – это рибоза, моносахарид из группы пентоз, легко растворяющийся в воде. Сахарный остаток ДНК – это дезоксирибоза, или производная рибозы, имеющая несколько иную структуру.
В отличие от рибозы, формирующей кольцо из 4 атомов углерода и 1 атома кислорода, в дезоксирибозе второй атом углерода замещается водородом. Еще одно отличие между ДНК и РНК заключается в их размерах – более крупная. Кроме этого, среди четырех нуклеотидов, входящих в ДНК, один представляет собой азотистое основание под названием тимин, тогда как в РНК вместо тимина присутствует его разновидность – урацил.
Молекулярная генетика – раздел генетики, который занимается изучением наследственности на молекулярном уровне.
Нуклеиновые кислоты. Репликация ДНК. Реакции матричного синтеза
Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) были открыты в 1868 году швейцарским биохимиком И.Ф. Мишером. Нуклеиновые кислоты – линейные биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов.
ДНК – структура и функции
Химическую структуру ДНК расшифровали в 1953 г. американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик.
Общая структура ДНК. Молекула ДНК состоит из 2 цепей, которые закручены в спираль (рис. 11) одна вокруг другой и вокруг общей оси. Молекулы ДНК могут содержать от 200 до 2х10 8 пар нуклеотидов. Вдоль спирали молекулы ДНК соседние нуклеотиды располагаются на расстоянии 0,34 нм друг от друга. Полный оборот спирали включает 10 пар нуклеотидов. Его длина составляет 3,4 нм.
Рис . 11 . Схема строения ДНК (двойная спираль)
Полимерность молекулы ДНК. Молекула ДНК – биоплоимер состоит из сложных соединений – нуклеотидов.
Строение нуклеотида ДНК. Нуклеотид ДНК состоит из 3 звеньев: одно из азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин); дезокисирибоза (моносахарид); остаток фосфорной кислоты (рис. 12).
Различают 2 группы азотистых оснований:
пуриновые – аденин (А), гуанин (Г), содержащие два бензольных кольца;
пиримидиновые – тимин (Т), цитозин (Ц), содержащие одно бензольное кольцо.
В состав ДНК входят следующие виды нуклеотидов: адениновый (А); гуаниновый (Г); цитозиновый (Ц); тиминовый (Т). Названия нуклеотидов соответствуют названиям азотистых оснований, входящих в их состав: адениновый нуклеотид азотистое основание аденин; гуаниновый нуклеотид азотистое основание гуанин; цитозиновый нуклеотид азотистое основание цитозин; тиминовый нуклеотид азотистое основание тимин.
Соединение двух цепей ДНК в одну молекулу
Нуклеотиды А, Г, Ц и Т одной цепи соединены соответственно с нуклеотидами Т, Ц, Г и А другой цепи водородными связями . Между А и Т формируется две водородные связи, а между Г и Ц – три водородные связи (А=Т, Г≡Ц).
Пары оснований (нуклеотидов) А – Т и Г – Ц называют комплементарными, т. е. взаимно соответствующими. Комплементарность – это химическое и морфологическое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК.
5 ’ 3 ’
1 2 3
3’ 5’
Рис. 12 Участок двойной спирали ДНК. Строение нуклеотида (1– остаток фосфорной кислоты; 2– дезоксирибоза; 3– азотистое основание). Соединение нуклеотидов с помощью водородных связей.
Цепи в молекуле ДНК антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны, так что 3’- конец одной цепи располагается напротив 5’- конца другой цепи. Генетическая информация в ДНК записана в направлении от 5’ конца к 3’ концу. Эта нить называется смысловой ДНК,
поскольку здесь расположены гены. Вторая нить – 3’–5’ служит эталоном хранения генетической информации.
Cоотношение между числом разных оснований в ДНК установлено Э. Чаргаффом в 1949 г. Чаргафф выявил, что у ДНК различных видов количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина.
Правило Э. Чаргаффа :
в молекуле ДНК количество A (адениновых) нуклеотидов всегда равно количеству Т (тиминовых) нуклеотидов или отношение ∑ А к ∑ Т=1. Сумма Г (гуаниновых) нуклеотидов равна сумме Ц (цитозиновых) нуклеотидов или отношение ∑ Г к ∑ Ц=1;
сумма пуриновых оснований (А+Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т+Ц) или отношение ∑ (А+Г) к ∑ (Т+Ц)=1;
Способ синтеза ДНК – репликация . Репликация – это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый в ядре под контролем ферментов. Самоудовоение молекулы ДНК происходит на основе комплементарности – строгого соответствия нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК. В начале процесса репликации молекула ДНК раскручивается (деспирализуется) на определенном участке (рис. 13), при этом освобождаются водородные связи. На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимиразы, синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, содержащиеся в цитоплазме клеток. Эти нуклеотиды выстраиваются комплементарно нуклеотидам двух материнских цепей ДНК. Фермент ДНК-полимераза присоединяет комплементарные нуклеотиды к матричной цепи ДНК. Например, к нуклеотиду А матричной цепи полимераза присоединяет нуклеотид Т и, соответственно, к нуклеотиду Г – нуклеотид Ц (рис. 14). Сшивание комплементарных нуклеотидов происходит с помощью фермента ДНК-лигазы . Так путем самоудвоения синтезируются две дочерние цепи ДНК.
Образовавшиеся две молекулы ДНК из одной молекулы ДНК представляют собой полуконсервативную модель , поскольку состоят из старой материнской и новой дочерней цепей и являются точной копией материнской молекулы (рис. 14). Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерней.
Рис . 13 . Деспирализация молекулы ДНК с помощью фермента
1
Рис . 14 . Репликация – образование двух молекул ДНК из одной молекулы ДНК: 1 – дочерняя молекула ДНК; 2 – материнская (родительская) молекула ДНК.
Фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи ДНК только в направлении 3’ –> 5’. Поскольку комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены в противоположные стороны, и фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи ДНК только в направлении 3’–>5’, то и синтез новых цепей идет антипараллельно (по принципу антипараллельности ).
Место локализации ДНК . ДНК содержится в ядре клетки, в матриксе митохондрий и хлоропластов.
Количество ДНК в клетке постоянно и составляет 6,6х10 -12 г.
Функции ДНК:
Хранение и передача в ряду поколений генетической информации молекулам и - РНК;
Структурная. ДНК является структурной основой хромосом (хромосома на 40% состоит из ДНК).
Видоспецифичность ДНК . Нуклеотидный состав ДНК служит критерием вида.
РНК, строение и функции.
Общая структура .
РНК – линейный биополимер, состоящий из одной полинуклеотидной цепи. Различают первичную и вторичную структуры РНК. Первичная структура РНК представляет собой одноцепочечную молекулу, а вторичная структура имеет форму креста и характерна для т- РНК.
Полимерность молекулы РНК . Молекула РНК может включать от 70 нуклеотидов до 30 000 нуклеотидов. Нуклеотиды, входящие в состав РНК, следующие: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц), урациловый (У). В составе РНК тиминовый нуклеотид замещен на урациловый (У).
Строение нуклеотида РНК.
Нуклеотид РНК включает 3 звена:
азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, урацил);
моносахарид – рибоза (в рибозе присутствует кислород при каждом атоме углерода);
остаток фосфорной кислоты.
Способ синтеза РНК – транскрипция . Транскрипция, как и репликация, – реакция матричного синтеза. Матрицей является молекула ДНК. Реакция протекает по принципу комплементарности на одной из цепей ДНК (рис. 15). Процесс транскрипции начинается с деспирализации молекулы ДНК на определенном участке. На транскрибируемой цепи ДНК имеется промотор – группа нуклеотидов ДНК, с которой начинается синтез молекулы РНК. К промотору присоединяется фермент РНК-полимераза . Фермент активизирует процесс транскрипции. По принципу комплементарности достраиваются нуклеотиды, поступающие из цитоплазмы клетки к транскрибируемой цепи ДНК. РНК-полимераза активизирует выстраивание нуклеотидов в одну цепь и формирование молекулы РНК.
В процессе транскрипции выделяют четыре стадии: 1) связывание РНК-полимеразы с промотором; 2) начало синтеза (инициация); 3) элонгация – рост цепи РНК, т. е. происходит последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу; 4) терминация – завершение синтеза и-РНК.
Рис . 15 . Схема транскрипции
1 – молекула ДНК (двойная цепочка); 2 – молекула РНК; 3–кодоны; 4– промотор.
В 1972 г. американские ученые – вирусолог Х.М. Темин и молекулярный биолог Д. Балтимор на вирусах в опухолевых клетках открыли обратную транскрипцию. Обратная транскрипция – переписывание генетической информации с РНК на ДНК. Процесс протекает с помощью фермента обратной транскриптазы .
Виды РНК по функции
Информационная, или матричная РНК (и-РНК, или м-РНК) переносит генетическую информацию с молекулы ДНК к месту синтеза белка – в рибосому. Синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы. Она составляет 5% от всех видов РНК клетки. и- РНК включает от 300 нуклеотидов до 30 000 нуклеотидов (самая длинная цепь среди РНК).
Транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка,– в рибосому. Имеет форму креста (рис. 16) и состоит из 70 – 85 нуклеотидов. Ее количество в клетке составляет 10-15 % РНК клетки.
Рис. 16. Схема строения т-РНК: А–Г – пары нуклеотидов, соединенные с помощью водородных связей; Д – место прикрепления аминокислоты (акцепторный участок); Е – антикодон.
3. Рибосомная РНК (р-РНК) синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом. Включает примерно 3000 нуклеотидов. Составляет 85% РНК клетки. Этот вид РНК содержатся в ядре, в рибосомах, на эндоплазматической сети, в хромосомах, в матриксе митохондрий, а также в пластидах.
Основы цитологии. Решение типовых задач
Задача 1
Сколько тиминовых и адениновых нуклеотидов содержится в ДНК, если в ней обнаружено 50 цитозиновых нуклеотидов, что составляет 10% от всех нуклеотидов.
Решение. По правилу комплементарности в двойной цепи ДНК цитозин всегда комплемпентарен гуанину. 50 цитозиновых нуклеотидов составляют 10%, следовательно, согласно правилу Чаргаффа, 50 гуаниновых нуклеотидов также составляют 10%, или (если ∑Ц =10%, то и ∑Г =10%).
Сумма пары нуклеотидов Ц + Г равна 20%
Сумма пары нуклеотидов Т + А = 100% – 20 % (Ц + Г) = 80 %
Для того, чтобы узнать, сколько тиминовых и адениновых нуклеотидов содержится в ДНК, нужно составить следующую пропорцию:
50 цитозиновых нуклеотидов → 10 %
Х (Т + А) →80 %
Х = 50х80:10=400 штук
Согласно правилу Чаргаффа ∑А= ∑Т, следовательно ∑А=200 и ∑Т=200.
Ответ: количество тиминовых, как и адениновых нуклеотидов в ДНК, равно 200.
Задача 2
Тиминовые нуклеотиды в ДНК составляют 18% от общего количества нуклеотидов. Определите процент остальных видов нуклеотидов, содержащихся в ДНК.
Решение. ∑Т=18%. Согласно правилу Чаргаффа ∑Т=∑А, следовательно на долю адениновых нуклеотидов также приходится 18 % (∑А=18%).
Сумма пары нуклеотидов Т+А равна 36 % (18 % + 18 % = 36 %). На пару нуклеотидов Ги Ц приходится: Г+Ц=100 % –36 %=64 %. Поскольку гуанин всегда комплементарен цитозину, то их содержание в ДНК будет равным,
т. е. ∑ Г= ∑Ц=32%.
Ответ : содержание гуанина, как и цитозина, составляет 32 %.
Задача 3
20 цитозиновых нуклеотидов ДНК составляют 10% от общего количества нуклеотидов. Сколько адениновых нуклеотидов содержится в молекуле ДНК?
Решение. В двойной цепочке ДНК количество цитозина равно количеству гуанина, следовательно, их сумма составляет: Ц+Г=40 нуклеотидов. Находим общее количество нуклеотидов:
20 цитозиновых нуклеотидов → 10 %
Х (общее количество нуклеотидов) →100 %
Х=20х100:10=200 штук
А+Т=200 – 40=160 штук
Так как аденин комплементарен тимину, то их содержание будет равным,
т. е. 160 штук: 2=80 штук, или ∑А=∑Т=80.
Ответ : в молекуле ДНК содержится 80 адениновых нуклеотидов.
Задача 4
Допишите нуклеотиды правой цепи ДНК, если известны нуклеотиды ее левой цепи: АГА – ТАТ – ГТГ – ТЦТ
Решение. Построение правой цепи ДНК по заданной левой цепи производится по принципу комплементарности – строгого соответствия нуклеотидов друг другу: аденонивый – тиминовый (А–Т), гуаниновый – цитозиновый (Г–Ц). Поэтому нуклеотиды правой цепи ДНК должны быть следующие: ТЦТ – АТА – ЦАЦ – АГА.
Ответ : нуклеотиды правой цепи ДНК: ТЦТ – АТА – ЦАЦ – АГА.
Задача 5
Запишите транскрипцию, если транскрибируемая цепочка ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: АГА – ТАТ – ТГТ – ТЦТ.
Решение . Молекула и-РНК синтезируется по принципу комплеиентарности на одной из цепей молекулы ДНК. Нам известен порядок нуклеотидов в транскрибируемой цепи ДНК. Следовательно, надо построить комплементарную цепь и-РНК. Следует помнить, что вместо тимина в молекулу РНК входит урацил. Следовательно:
Цепь ДНК: АГА – ТАТ – ТГТ – ТЦТ
Цепь и-РНК: УЦУ – АУА –АЦА –АГА.
Ответ : последовательность нуклеотидов и-РНК следующая: УЦУ – АУА – АЦА –АГА.
Задача 6
Запишите обратную транскрипцию, т. е. постройте фрагмент двухцепочечной молекулы ДНК по предложенному фрагменту и-РНК, если цепочка и- РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:
ГЦГ – АЦА – УУУ – УЦГ – ЦГУ – АГУ – АГА
Решение. Обратная транскрипция – это синтез молекулы ДНК на основе генетического кода и-РНК. Кодирующая молекулу ДНК и-РНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ГЦГ – АЦА – УУУ – УЦГ – ЦГУ – АГУ – АГА. Комплементарная ей цепочка ДНК: ЦГЦ – ТГТ – ААА – АГЦ – ГЦА – ТЦА – ТЦТ. Вторая цепочка ДНК: ГЦГ–АЦА–ТТТ–ТЦГ–ЦГТ–АГТ–АГА.
Ответ : в результате обратной транскрипции синтезированы две цепочки молекулы ДНК: ЦГЦ – ТГТ – ААА – АГЦ – ГЦА – ТЦА и ГЦГ–АЦА–ТТТ–ТЦГ–ЦГТ–АГТ–АГА.
Генетический код. Биосинтез белка.
Ген – участок молекулы ДНК, содержащий генетическую информацию о первичной структуре одного определенного белка.
Экзон-интронная структура гена эукариот
промотор – участок ДНК (длиной до 100 нуклеотидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза , необходимый для осуществления транскрипции;
2) регуляторная зона – зона, влияющая на активность гена;
3) структурная часть гена – генетическая информация о первичной структуре белка.
Последовательность нуклеотидов ДНК, несущая генетическую информацию о первичной структуре белка – экзон . Они также входят в состав и-РНК. Последовательность нуклеотидов ДНК, не несущая генетическую информацию о первичной структуре белка – интрон . Они не входят в состав и-РНК. В ходе транскрипции с помощью специальных ферментов происходит вырезание копий интронов из и-РНК и сшивание копий экзонов при образовании молекулы и-РНК (рис. 20). Этот процесс называется сплайсинг .
Рис . 20 . Схема сплайсинга (формирование зрелой и-РНК у эукариот)
Генетический код – система последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, или и-РНК, которая соответствует последовательности аминокислот в полипептидной цепи.
Свойства генетического кода:
Триплетность (АЦА – ГТГ – ГЦГ…)
Генетический код является триплетным, так как каждая из 20 аминокислот кодируется последовательностью трех нуклеотидов (триплетом , кодоном) .
Существует 64 вида триплетов нуклеотидов (4 3 =64).
Однозначность (специфичность)
Генетический код является однозначным, так как каждый отдельный триплет нуклеотидов (кодон) кодирует только одну аминокислоту, или один кодон всегда соответствует одной аминокислоте (таблица 3).
Множественность (избыточность, или вырожденность)
Одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (от 2 до 6), т. к. белокобразующих аминокислот –20, а триплетов – 64.
Непрерывность
Считывание генетической информации происходит в одном направлении, слева направо. Если произойдет выпадение одного нуклеотида, то при считывании его место займет ближайший нуклеотид из соседнего триплета, что приведет к изменению генетической информации.
Универсальность
Генетический код характерен для всех живых организмов, и одинаковые триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.
Имеет стартовые и терминальные триплеты (стартовый триплет – АУГ, терминальные триплеты УАА, УГА, УАГ). Эти виды триплетов не кодируют аминокислоты.
Неперекрываемость (дискретность)
Генетический код является неперекрывающимся, так как один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов. Нуклеотиды могут принадлежать только одному триплету, а если переставить их в другой триплет, то произойдет изменение генетической информации.
Таблица 3 – Таблица генетического кода
|
Основания кодонов |
|||||
Примечание: сокращенные названия аминокислот даны в соответствии с международной терминологией.
Биосинтез белка
Биосинтез белка – вид пластического обмена веществ в клетке, происходящий в живых организмах под действием ферментов. Биосинтезу белка предшествуют реакции матричного синтеза (репликация – синтез ДНК; транскрипция – синтез РНК; трансляция – сборка молекул белка на рибосомах). В процессе биосинтеза белка выделяют 2 этапа:
транскрипция
трансляция
В ходе транскрипции генетическая информация, заключенная в ДНК, находящейся в хромосомах ядра, передается молекуле РНК. По завершении процесса транскрипции и-РНК выходит в цитоплазму клетки через поры в мембране ядра, располагается между 2 субъединицами рибосомы и участвует в биосинтезе белка.
Трансляция – процесс перевода генетического кода в последовательность аминокислот. Трансляция осуществляется в цитоплазме клетки на рибосомах, которые располагаются на поверхности ЭПС (эндоплазматической сети). Рибосомы – сферические гранулы, диаметром, в среднем, 20 нм, состоящие из большой и малой субъединиц. Молекула и-РНК располагается между двумя субъединицами рибосомы. В процессе трансляции участвуют аминокислоты, АТФ, и-РНК, т-РНК, фермент амино-ацил т-РНК-синтетаза.
Кодон – участок молекулы ДНК, или и-РНК, состоящий из трех последовательно расположенных нуклеотидов, кодирующий одну аминокислоту.
Антикодон – участок молекулы т-РНК, состоящий из трех последовательно расположенных нуклеотидов и комплементарный кодону молекулы и-РНК. Кодоны комплементарны соответствующим антикодонам и соединяются с ними с помощью водородных связей (рис. 21).
Синтез белка начинается со стартового кодона АУГ . От него рибосома
перемещается по молекуле и-РНК, триплет за триплетом. Аминокислоты поступают по генетическому коду. Встраивание их в полипептидную цепь на рибосоме происходит с помощью т-РНК. Первичная структура т-РНК (цепочка) переходит во вторичную структуру, напоминающую по форме крест, и при этом в ней сохраняется комплементарность нуклеотидов. В нижней части т-РНК имеется акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота (рис.16). Активизация аминокислоты осуществляется при помощи фермента аминоацил т-РНК-синтетазы . Суть этого процесса состоит в том, что данный фермент взаимодействует с аминокислотой и с АТФ. При этом формируется тройной комплекс, представленный данным ферментом, аминокислотой и АТФ. Аминокислота обогащается энергией, активизируется, приобретает способность образовывать пептидные связи с соседней аминокислотой. Без процесса активизации аминокислоты полипептидная цепь из аминокислт сформироваться не может.
В противоположной, верхней части молекулы т-РНК содержится триплет нуклеотидов антикодон , с помощью которого т-РНК прикрепляется к комплементарному ему кодону (рис. 22).
Первая молекула т-РНК, с присоединенной к ней активизированной аминокислотой, своим антикодоном прикрепляется к кодону и-РНК, и в рибосоме оказывается одна аминокислота. Затем прикрепляется вторая т-РНК своим антикодоном к соответствующему кодону и-РНК. При этом в рибосоме оказываются уже 2 аминокислоты, между которыми формируется пептидная связь. Первая т-РНК покидает рибосому, как только отдаст аминокислоту в полипептидную цепь на рибосоме. Затем к дипептиду присоединяется 3-я аминокислота, ее приносит третья т-РНК и т. д. Синтез белка останавливается на одном из терминальных кодонов – УАА, УАГ, УГА (рис. 23).
1 – кодон и-РНК; кодоны UCG – УЦГ ; CUA – ЦУА ; CGU – ЦГУ ;
2– антикодон т-РНК; антикодон GAT – ГАТ
Рис . 21 . Фаза трансляции: кодон и-РНК притягивается к антикодону т-РНК соответствующими комплементарными нуклеотидами (основаниями)
Пространственную модель молекулы ДНК в 1953 году предложили американские исследователи генетик Джеймс Уотсон (род. 1928) и физик Фрэнсис Крик (род. 1916). За выдающийся вклад в это открытие им была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который, в свою очередь, соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин.
Молекула ДНК состоит из двух длинных цепей, сплетенных между собой в виде спирали, чаще всего, правозакрученной. Исключение составляют вирусы, которые содержат одноцепочную ДНК.
Фосфорная кислота и сахар, которые входят в состав нуклеотидов, образуют вертикальную основу спирали. Азотистые основания располагаются перпендикулярно и образуют «мостики» между спиралями. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия.
Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.
Азотистые основания оптимально соответствуют друг другу. Аденин и тимин соединяется двумя водородными связями, гуанин и цитозин – тремя. Поэтому на разрыв связи гуанин-цитозин требуется больше энергии. Одинаковые по размеру тимин и цитозин гораздо меньше аденина и гуанина. Пара тимин-цитозин была бы слишком мала, пора аденин-гуанин – слишком велика, и спираль ДНК искривилась бы.
Водородные связи непрочны. Они легко разрываются и так же легко восстанавливаются. Цепи двойной спирали под действием ферментов или при высокой температуре могут расходиться, как замок-молния.
5. Молекула рнк Рибонуклеиновая кислота (рнк)
Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) тоже является биополимером, который состоит из четырех типов мономеров – нуклеотидов. Каждый мономер молекулы РНК содержат остаток фосфорной кислоты, сахар рибозу и азотистое основание. Причем, три азотистых основания такие же, как в ДНК – аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина в РНК присутствует близкий ему по строению урацил. РНК – одноцепочечная молекула.
Количественное содержание молекул ДНК в клетках какого-либо вида практически постоянно, однако количество РНК может существенно меняться.
Виды рнк
В зависимости от строения и выполняемой функции различают три вида РНК.
1. Транспортная РНК (тРНК). Транспортные РНК в основном находятся в цитоплазме клетки. Они переносят аминокислоты к месту синтеза белка в рибосому.
2. Рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК связывается с определенными белками и образует рибосомы – органеллы, в которых происходит синтез белков.
3. Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК). Информационная РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК рибосоме. Каждая молекула иРНК соответствует определенному участку ДНК, который кодирует структуру одной белковой молекулы. Поэтому для каждого из тысяч белков, которые синтезируются в клетке, имеется своя особенная иРНК.
