Codarea și implementarea informațiilor genetice. Codarea și implementarea informațiilor biologice într-o celulă, codul genetic și proprietățile acesteia
1. Codarea și implementarea informațiilor biologice în celulă. Sistemul de coduri ADN și proteine.
2. Inginerie genetică. Biotehnologie. Obiective, metode. Realizări, perspective.
3. Definiția științei ecologiei. Mediul ca concept ecologic, factori de mediu. Ecosistem, biogeocenoză, antropocenoză. Specificul mediului de viață al oamenilor.
1. În primul rând, diversitatea vieții este determinată de diversitatea moleculelor de proteine care îndeplinesc diferite funcții biologice în celule. Structura proteinelor este determinată de setul și ordinea aminoacizilor din lanțurile lor peptidice. Această secvență de aminoacizi din lanțurile peptidice este criptată în moleculele de ADN folosind un cod biologic (genetic). Pentru a cripta 20 de aminoacizi diferiți, un număr suficient de combinații de nucleotide poate fi furnizat doar printr-un cod triplet, în care fiecare aminoacid este criptat de trei nucleotide adiacente.
Cod genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor despre secvența aminoacizilor din proteine folosind aranjamentul secvenţial al nucleotidelor din ARNm.
Sf. Gen. cod:
1) Codul este triplet. Aceasta înseamnă că fiecare dintre cei 20 de aminoacizi este criptat de o secvență de 3 nucleotide, numită triplet sau codon.
2) Codul este degenerat. Aceasta înseamnă că fiecare aminoacid este codificat de mai mult de un codon (excepțiile sunt metiotina și triptofanul)
3) Codul nu este ambiguu - fiecare codon criptează doar 1 aminoacid
4) Între gene există „semne de punctuație” (UAA, UAG, UGA), fiecare dintre acestea înseamnă încetarea sintezei și se află la sfârșitul fiecărei gene.
5) Nu există semne de punctuație în interiorul genei.
6) Codul este universal. Codul genetic este același pentru toate creaturile vii de pe pământ.
Transcripția este procesul de citire a informațiilor ARN realizat de ARNm polimeraza. ADN-ul este purtătorul tuturor informațiilor genetice dintr-o celulă și nu participă direct la sinteza proteinelor. Un intermediar de informații purtător este trimis de la nucleu la ribozomi - locurile de asamblare a proteinelor - și este capabil să treacă prin porii membranei nucleare. Este ARNm. Conform principiului complementarității, se citește din ADN cu participarea unei enzime numită ARN polimerază. Procesul de transcriere poate fi împărțit în 4 etape:
1) Legarea ARN polimerazei la promotor,
2) inițierea – începutul sintezei. Constă în formarea primei legături fosfodiester între ATP și GTP și a două nucleotide ale moleculei de ARNm care sintetizează,
3) alungirea – creșterea lanțului de ARN, i.e. adăugarea secvenţială de nucleotide una la alta, în ordinea în care apar nucleotidele complementare în catena de ADN transcrisă,
4) Terminare – finalizarea sintezei ARNm. Promotorul este o platformă pentru ARN polimerază. Un operon face parte dintr-o singură genă ADN.
ADN(acid dezoxiribonucleic) este un polimer biologic format din două lanțuri de polinucleotide legate între ele. Monomerii care alcătuiesc fiecare dintre lanțurile de ADN sunt compuși organici complecși care includ una dintre cele patru baze azotate: adenină (A) sau timină (T), citozină (C) sau guanină (G), pentoza cu cinci atomi de zahăr - deoxiriboză. , care poartă numele după numele ADN-ului însuși, precum și restul de acid fosforic. Acești compuși se numesc nucleotide.
2. INGINERIE GENETICĂ, sau tehnologia ADN recombinant, o schimbare folosind tehnici biochimice și genetice ale materialului cromozomial - principala substanță ereditară a celulelor. Materialul cromozomal constă din acid dezoxiribonucleic (ADN). Biologii izolează anumite secțiuni de ADN, le combină în combinații noi și le transferă de la o celulă la alta. Drept urmare, este posibil să se efectueze modificări în genom care cu greu ar fi avut loc în mod natural. Un număr de medicamente au fost deja obținute prin inginerie genetică, inclusiv insulina umană și interferonul medicament antiviral. Și deși această tehnologie este încă în curs de dezvoltare, ea promite progrese enorme atât în medicină, cât și în agricultură. În medicină, de exemplu, aceasta este o modalitate foarte promițătoare de a crea și produce vaccinuri. În agricultură, ADN-ul recombinant poate fi folosit pentru a produce varietăți de plante cultivate care sunt rezistente la secetă, frig, boli, insecte dăunătoare și erbicide.
Metode de inginerie genetică:
Metoda de secvențiere - determinarea secvenței de nucleotide a ADN-ului;
Metoda transcripției inverse ADN;
Reproducerea fragmentelor individuale de ADN.
Biotehnologia modernă- aceasta este o nouă direcție științifică și tehnică care a apărut în anii 60-70 ai secolului nostru. A început să se dezvolte foarte rapid la mijlocul anilor '70, după primele succese ale experimentelor de inginerie genetică. Biotehnologia, în esență, nu este altceva decât utilizarea culturilor celulare de bacterii, drojdii, animale sau plante, ale căror metabolism și capacități de biosinteză asigură producerea unor substanțe specifice. Biotehnologia, bazată pe aplicarea cunoștințelor și metodelor de biochimie, genetică și inginerie chimică, a făcut posibilă obținerea, cu ajutorul unor resurse ușor accesibile, regenerabile, a acelor substanțe care sunt importante pentru viață și bunăstare.
3. Ecologie– știința relației dintre organismele vii și mediul lor. Natura în care trăiește un organism viu este habitatul său . Factorii de mediu care afectează organismul sunt numiți factori de mediu:
factori abiotici– factori de natură neînsuflețită (temperatură, lumină, umiditate);
factori biotici– relațiile dintre indivizii dintr-o populație și dintre populațiile dintr-o societate naturală;
factor antropic– activitatea umană care duce la schimbări în habitatul organismelor vii.
Fotoperiodism - o adaptare generală importantă a organismelor. Astfel, prelungirea zilelor de primăvară determină activitatea activă a gonadelor.
În 1935, botanistul englez A. Tesley a introdus conceptul de „ ecosistem„- sisteme deschise, dar integrale și stabile stabilite istoric de componente vii și nevii, având un flux unidirecțional de energie, circulație internă și externă a substanțelor și având capacitatea de a regla toate aceste procese.
În 1942, academicianul sovietic V.N. Sukaciov a formulat conceptul de „ biogeocenoza„- un sistem natural deschis format din componente vii și nevii, ocupând o zonă cu o comunitate vegetală relativ omogenă și caracterizat printr-un anumit flux de energie, circulație a substanțelor, mișcare și dezvoltare.
O pădure, un câmp, o pajiște este un ecosistem. Dar atunci când caracteristicile pădurii și tipul acesteia sunt specificate de o anumită comunitate de plante (pădure de molid - afin, pădure de pini - lingonberry) - aceasta este o biogeocenoză.
Mediul uman este o împletire a factorilor de mediu naturali și antropici care interacționează, al căror set variază în diferite regiuni natural-geografice și economice ale planetei.
07.04.2015 13.10.2015
În era nanotehnologiei și inovației în toate sferele vieții umane, trebuie să știți multe pentru încrederea în sine și comunicarea cu oamenii. Tehnologiile secolului XXI au ajuns foarte departe, de exemplu, în domeniul medicinei și al geneticii. În acest articol vom încerca să descriem în detaliu cel mai important pas al umanității în cercetarea ADN-ului.
Descrierea codului ADN
Ce este acest cod? Codul este degenerat de proprietăți genetice și geneticienii îl studiază. Toate ființele vii de pe planeta noastră sunt înzestrate cu acest cod. Definită științific ca o metodă de secvențiere proteică a aminoacizilor folosind un lanț de nucleotide.
Așa-numitul alfabet este format din patru baze, desemnate A, G, T, C:
A - adenina,
G – guanina,
T – timină,
C – citozină.
Lanțul de coduri este o spirală a elementelor de bază descrise mai sus compuse secvențial; se dovedește că fiecare pas al spiralei corespunde unei anumite litere.
Codul ADN este degenerat de proteinele care participă la compoziție și sunt formate din lanțuri. În care sunt implicate douăzeci de tipuri de aminoacizi. Aminoacizii codului revelator sunt numiți canonici, sunt aranjați într-un anumit fel în fiecare creatură și formează unități proteice.
Istoricul detectării
Omenirea studiază de multă vreme proteinele și acizii, dar primele ipoteze și stabilirea teoriei eredității au apărut abia la mijlocul secolului al XX-lea. În acest moment, oamenii de știință au adunat o cantitate suficientă de cunoștințe despre această problemă.
În 1953, cercetările au arătat că proteina unui organism individual are un lanț unic de aminoacizi. S-a ajuns la concluzia că acest lanț nu are nicio restricție în polipeptidă.
Au fost comparate înregistrările diferiților oameni de știință din lume, care erau diferiți. Prin urmare, s-a format un anumit concept: fiecărei gene îi corespunde o anumită polipeptidă. În același timp, a apărut și numele ADN, care s-a dovedit cu siguranță că nu este o proteină.
Cercetătorii Crick și Watson au vorbit pentru prima dată despre schema de criptare explicativă a matricei în 1953. În cea mai recentă lucrare a marilor oameni de știință, s-a dovedit faptul că cifrul este un purtător de informații.
Ulterior, a rămas de înțeles doar problema determinării și formării lanțurilor, bazelor și proprietăților proteice de aminoacizi.
Primul om de știință care a construit ipoteza de codificare genetică a fost fizicianul Gamow, care a propus și o anumită modalitate de a testa matricea.
Genetica a sugerat stabilirea unei corespondențe între cele două bare transversale laterale ale lanțului de aminoacizi și etapele rezultate în formă de diamant. Treptele în formă de diamant ale lanțului sunt formate folosind patru nucleotide ale codului genetic. Acest meci a fost numit meciul de diamante.
În cercetările sale ulterioare, Gamow propune teoria codului triplet. Această presupunere devine primordială în problema naturii codului genetic. Deși teoria fizicianului Gamow are deficiențe, dintre care una este codificarea structurii proteinelor prin codul genetic.
În consecință, George Gamow a devenit primul om de știință care a considerat problema genelor drept codificarea unui sistem de patru cifre în traducerea sa într-un fapt fundamental de douăzeci de cifre.
Principiul de funcționare
O proteină este formată din mai multe șiruri de aminoacizi. Logica lanțurilor de conectare determină structura și caracteristicile proteinei corpului, ceea ce ajută, în consecință, la identificarea informațiilor despre parametrii biologici ai unei creaturi vii.
Informațiile din celulele vii sunt obținute prin două procese matrice:
Transcripția, adică procesul sintetizat de fuziune a șablonelor de ARN și ADN.
Translația, adică sinteza unui lanț de polipeptide pe o matrice ARN.
În timpul procesului de traducere, codul genetic este redirecționat într-un lanț logic de aminoacizi. 
Pentru a identifica și implementa informații despre gene, sunt necesare cel puțin trei nucleotide în lanț, atunci când se iau în considerare douăzeci de aminoacizi strict consecutivi. Acest set de trei nucleotide este denumit triplet.
Codurile genetice sunt distribuite în două categorii:
Suprapunere – cod minor, triunghiular și secvenţial.
Nu se suprapun – cod combinat și „fără virgule”.
Studiile au demonstrat că ordinea aminoacizilor este haotică și, în consecință, individuală, pe baza acestui fapt, oamenii de știință acordă preferință codurilor care nu se suprapun. Ulterior, teoria „fără virgulă” a fost respinsă.
De ce trebuie să știți codul ADN?
Cunoașterea codului genetic al unui organism viu face posibilă determinarea informațiilor moleculelor în sens ereditar și evolutiv. O înregistrare a eredității este necesară, relevă cercetările privind formarea cunoștințelor sistemice în lumea geneticii.
Universalitatea codului genetic este considerată cea mai unică proprietate a unui organism viu. Pe baza datelor, se pot obține răspunsuri la majoritatea întrebărilor medicale și genetice.
Utilizarea cunoștințelor în medicină și genetică
Progresele biologiei moleculare ale secolului al XX-lea au permis progrese mari în studiul bolilor și virusurilor cu diverse cauze. Informațiile despre codul genetic sunt utilizate pe scară largă în medicină și genetică.
Identificarea naturii unei anumite boli sau a unui virus se suprapune cu studiul dezvoltării genetice. Cunoașterea și formarea de teorii și practici pot vindeca boli greu de tratat sau incurabile ale lumii moderne și ale viitorului.
Perspective de dezvoltare
Deoarece s-a dovedit științific că codul genetic conține informații nu numai despre ereditate, ci și despre speranța de viață a organismului, dezvoltarea geneticii pune problema nemuririi și longevității. Această perspectivă este susținută de o serie de ipoteze privind nemurirea terestră, celulele canceroase și celulele stem umane.
În 1985, un cercetător de la un institut tehnic, P. Garyaev, a descoperit, din întâmplare a analizei spectrale, un spațiu gol, care mai târziu a fost numit fantomă. Fantomele detectează molecule genetice moarte.
Care a subliniat în continuare teoria modificărilor unui organism viu în timp, ceea ce sugerează că o persoană este capabilă să trăiască mai mult de patru sute de ani.
Fenomenul este că celulele ADN sunt capabile să producă vibrații sonore de o sută de herți. Adică ADN-ul poate vorbi.
Veverițe sunt heteropolimeri formați din 20 de monomeri diferiți - alfa aminoacizi naturali. Veverițe sunt polimeri neregulati. În structura unei molecule de proteine, există mai multe niveluri de organizare structurală. Structura primară este o secvență de resturi de aminoacizi legate prin legături peptidice. Structura secundară– de regulă, aceasta este o structură elicoidală care este ținută împreună prin multe legături de hidrogen care apar între grupările –C=O și –NH situate aproape una de alta. Structura terțiară o moleculă de proteină este o configurație spațială, de obicei asemănătoare cu un globul compact; este susținut de legături ionice, de hidrogen și disulfură (S-S). Structura cuaternară se formează prin interacțiunea mai multor subunități - globule (de exemplu, o moleculă de hemoglobină este formată din patru astfel de subunități). Pierderea structurii unei molecule de proteine se numește denaturare; poate fi cauzată de temperatură, deshidratare, iradiere etc. Informațiile despre secvența de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic se găsesc într-o secțiune de ADN care numită genă. ADN-ul conține informații despre structura primară a proteinei. Codul ADN este același pentru toate organismele. Fiecare aminoacid are trei nucleotide care formează un triplet sau codon. Această codificare este redundantă: sunt posibile 64 de combinații de tripleți, în timp ce există doar 20 de aminoacizi. Există și tripleți de control, de exemplu, care indică începutul și sfârșitul unei gene.
Biosinteza proteinelor este un lanț de reacții care utilizează energia ATP. Enzimele sunt implicate în toate reacțiile de sinteză a proteinelor. Biosinteza proteinelor este o sinteză matriceală.
Cod genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor despre secvența de aminoacizi din proteine folosind secvența de nucleotide din ADN. Proprietățile codului genetic.
1. Tripletate Fiecare aminoacid este codificat de o secvență de 3 nucleotide.
2. Degenerescenta. Toți aminoacizii, cu excepția metioninei și triptofanului, sunt codificați de mai mult de un triplet. Un total de 61 de tripleți codifică 20 de aminoacizi.
3. Neambiguitate. Fiecare triplet codifică doar un aminoacid sau este un terminator de translație.
4. Compactitate, sau lipsa punctuației intragenice. În cadrul unei gene, fiecare nucleotidă face parte dintr-un codon semnificativ.
23. Principiul codificării și implementării informațiilor genetice într-o celulă, proprietățile codului genetic și semnificația lor biologică. Etapele implementării informației, caracteristicile acestora. Conceptul de transcriere directă și inversă.
Cod genetic- un sistem de înregistrare a informațiilor ereditare, în spatele căruia secvența nucleotidelor din ADN (la unele virusuri ARN) determină secvența aminoacizilor din moleculele proteice. Deoarece în timpul procesului de implementare informația genetică este rescrisă din ADN în ARNm, codul genetic este citit ca ARNm și scris folosind cele patru baze azotate ale ARN (A, B, G, C).
Codon– o secvență de trei nucleotide adiacente (triplet) de ARNm care codifică un aminoacid specific sau începutul și sfârșitul translației.
Deoarece există patru tipuri de nucleotide, codul genetic este format din 64 de codoni, dintre care 61 de codoni codifică 20 de aminoacizi. Trei codoni (UAG, UAA, UGA) – codon-codoni-nonsens-codoni, nu codifică un singur aminoacid și nu există ARN de transfer pentru ei; acţionează ca semnale de terminare a translaţiei (codon-codon-codon stop, codon terminator). Codonul AUG determină începutul translației și se numește codon de inițiere sau de început.
Codul genetic: proprietățile și conceptul său. În primul rând, diversitatea vieții este determinată de diversitatea moleculelor de proteine care îndeplinesc diferite funcții biologice în celule. Structura proteinelor este determinată de setul și ordinea aminoacizilor din lanțurile lor peptidice. Această secvență de aminoacizi din peptide este criptată în moleculele de ADN folosind un cod genetic. În varietatea de proteine care există în natură, au fost descoperiți aproximativ 20 de aminoacizi diferiți.
Proprietățile codului genetic:
· tripletitate - un aminoacid este codificat de un triplet, care include trei nucleotide. Un astfel de triplet se numește codon.;
· „degenerarea”, sau redundanța codului genetic, adică. același aminoacid poate fi codificat de mai multe triplete, deoarece sunt cunoscuți 20 de aminoacizi și 64 de codoni
· nesuprapunere, de ex. nu există semne de divizare între tripleți din molecula de ADN; acestea sunt aranjate într-o ordine liniară, urmând una după alta; trei nucleotide adiacente formează un triplet;
· versatilitate, de ex. pentru toate organismele, de la procariote la oameni, 20 de aminoacizi sunt codificați de aceleași tripleți, ceea ce este una dintre dovezile unității de origine a întregii vieți de pe Pământ.
Etapele implementării informației genetice I.
Transcriere- sinteza tuturor tipurilor de ARN pe o matrice ADN.
Transcrierea, sau rescrierea, nu are loc pe întreaga moleculă de ADN, ci pe secțiunea responsabilă pentru o anumită proteină (genă). Condiții necesare pentru transcriere:
a) desfășurarea unei secțiuni de ADN folosind proteine enzimatice de desfășurare
b) disponibilitatea materialului de construcție.
c) enzime de transcripție - ARN polimeraze I, II, III
d) energie sub formă de ATP.
Transcrierea are loc după principiul complementarității. În acest caz, cu ajutorul unor proteine enzimatice speciale, o secțiune a dublei helix ADN se desfășoară și servește drept matrice pentru sinteza ARNm. Apoi, enzima ARN polimeraza se deplasează de-a lungul lanțului ADN, conectând nucleotidele între ele conform principiului complementarității într-un lanț de ARN în creștere. ARN-ul monocatenar este apoi separat de ADN și părăsește nucleul celulei prin porii din membrana nucleară II.
Difuzare(traducere) sau biosinteza proteinelor. Esența traducerii este traducerea unui cod de patru litere de baze azotate într-un „dicționar” de 20 de litere de aminoacizi. Procesul de traducere constă în transferul de informații genetice codificate în ARNm în secvența de aminoacizi a unei proteine. Biosinteza proteinelor are loc în citoplasma pe ribozomi și constă din mai multe etape:
Etapa pregătitoare (activarea aminoacizilor) constă în legarea enzimatică a fiecărui aminoacid de ARNt-ul său și formarea unui complex aminoacid - ARNt. Sinteza proteinelor în sine, care include trei etape:
a) iniţiere- ARNm se leagă de subunitatea mică a ribozomului
b) alungirea- prelungirea lanţului polipeptidic. Procesul se desfășoară în 3 etape și constă în legarea unui codon ARNm la un anticodon ARNt conform principiului complementarității în centrul activ al ribozomului, apoi formarea unei legături peptidice între două resturi de aminoacizi și deplasarea dipeptidei cu un pas înainte. și, în consecință, mutarea ribozomului de-a lungul ARNm cu un codon înainte
c) rezilierea- sfârșitul translației depinde de prezența în ARNm a codonilor de terminație sau a „semnalelor de oprire” (UAA, UGA, UAG) și a enzimelor proteice - factori de terminare
Transcriere inversă este procesul de formare a ADN-ului dublu catenar pe baza informațiilor din ARN-ul monocatenar. Acest proces se numește transcripție inversă, deoarece transferul de informații genetice are loc în direcția „inversă” față de transcripție.
Informații conexe.
Informația genetică este codificată în ADN. Codul genetic a fost elucidat de M. Nirenberg și H.G. Coranul, pentru care au primit Premiul Nobel în 1968.
Cod genetic- un sistem de aranjare a nucleotidelor în moleculele de acid nucleic care controlează secvența de aminoacizi din molecula polipeptidică.
Principiile de bază ale codului:
1) Codul genetic este triplet. Tripletul ARNm se numește codon. Un codon codifică un aminoacid.
2) Codul genetic este degenerat. Un aminoacid este criptat de mai mult de un codon (de la 2 la 6). Excepțiile sunt metionina și triptofanul (AUG, GUG). În codonii pentru un aminoacid, primele două nucleotide sunt cel mai adesea aceleași, dar a treia variază.
3) Codonii nu se suprapun. Secvența de nucleotide este citită într-o direcție la rând, triplet cu triplet.
4) Codul nu este ambiguu. Un codon codifică un anumit aminoacid.
5) AUG este codonul de pornire.
6) Nu există semne de punctuație în interiorul genei - codoni stop: UAG, UAA, UGA.
7) Codul genetic este universal, este același pentru toate organismele și virusurile.
Descoperirea structurii ADN-ului, purtător material al eredității, a contribuit la rezolvarea multor probleme: reproducerea genelor, natura mutațiilor, biosinteza proteinelor etc.
Mecanismul de transmitere a codului genetic a contribuit la dezvoltarea biologiei moleculare, precum și a ingineriei genetice și a terapiei genice.
ADN-ul este situat în nucleu și face parte din cromatina, precum și mitocondrii, centrozomi, plastide, iar ARN-ul se află în nucleoli, matrice citoplasmatică și ribozomi.
Purtătorul de informații ereditare în celulă este ADN-ul, iar ARN-ul servește la transmiterea și implementarea informațiilor genetice în pro- și eucariote. Cu ajutorul ARNm, are loc procesul de traducere a secvenței de nucleotide ADN într-o polipeptidă.
În unele organisme, pe lângă ADN, ARN-ul poate fi purtător de informații ereditare, de exemplu, în virusurile mozaicului de tutun, poliomielita și SIDA.
Monomerii acizilor nucleici sunt nucleotidele. S-a stabilit că în cromozomii eucariotelor, o moleculă gigantică de ADN dublu catenar este formată din 4 tipuri de nucleotide: adenil, guanil, timidil, citozil. Fiecare nucleotidă constă dintr-o bază azotată (purină G + A sau pirimidină C + T), dezoxiriboză și un reziduu de acid fosforic.
Analizând ADN-ul de diferite origini, Chargaff a formulat modele ale raportului cantitativ al bazelor azotate - Regulile lui Chargaff.
a) cantitatea de adenina este egala cu cantitatea de timina (A=T);
b) cantitatea de guanină este egală cu cantitatea de citozină (G=C);
c) numărul de purine este egal cu numărul de pirimidine (G+A = C+T);
d) numărul de baze cu grupări 6-amino este egal cu numărul de baze cu grupări 6-ceto (A+C = G+T).
În același timp, raportul bazelor A+TG+C este un coeficient strict specific speciei (pentru om - 0,66; șoareci - 0,81; bacterii - 0,41).
În 1953, un biolog J.Watson si fizician F.Crick a fost propus un model molecular spațial al ADN-ului.
Principalele postulate ale modelului sunt următoarele:
1. Fiecare moleculă de ADN este formată din două lanțuri lungi de polinucleotide antiparalele care formează o dublă helix răsucită în jurul unei axe centrale (dreapta - forma B, stânga - forma Z, descoperită de A. Rich la sfârșitul anilor '70).
2. Fiecare nucleozidă (pentoză + bază azotată) este situată într-un plan perpendicular pe axa helixului.
3. Două lanțuri de polinucleotide sunt ținute împreună prin legături de hidrogen formate între bazele azotate.
4. Împerecherea bazelor azotate este strict specifică, bazele purinice se combină numai cu bazele pirimidinice: A-T, G-C.
5. Secvența bazelor unui lanț poate varia semnificativ, dar bazele azotate ale celuilalt lanț trebuie să fie strict complementare acestora.
Lanțurile polinucleotidice sunt formate prin legături covalente între nucleotidele adiacente printr-un reziduu de acid fosforic care conectează carbonul din poziția a cincea a zahărului cu al treilea carbon al nucleotidei adiacente. Lanțurile au o direcție: începutul lanțului este de 3" OH - în a treia poziție a carbonului dezoxiribozei se adaugă o grupare hidroxil OH, capătul lanțului este de 5" F, un reziduu de acid fosforic este atașat la a cincea carbonul dezoxiribozei.
Funcția autosintetică a ADN-ului este replicarea - autoreproducția. Replicarea se bazează pe principiile semi-conservatorismului, anti-paralelismului, complementarității și discontinuității. Informația ereditară a ADN-ului este realizată ca rezultat al replicării în funcție de tipul de sinteză șablon. Are loc în etape: legare, inițiere, alungire, terminare. Procesul este limitat la perioada S a interfazei. Enzima ADN polimeraza folosește ADN monocatenar ca matriță și, în prezența a 4 nucleotide, un primer (ARN) formează oa doua catenă de ADN.
Sinteza ADN-ului se realizează conform principiului complementarității. Legăturile fosfodiesterice se formează între nucleotidele lanțului de ADN datorită conexiunilor grupei 3 "OH a ultimei nucleotide cu 5 "-fosfatul următoarei nucleotide, care trebuie să se alăture lanțului.
Există trei tipuri principale de replicare a ADN-ului: conservatoare, semi-conservatoare, dispersate.
Conservator- păstrarea integrității moleculei originale cu dublu lanț și sinteza moleculei fiice cu dublu lanț. Jumătate dintre moleculele fiice sunt construite în întregime din material nou, iar jumătate sunt construite în întregime din materialul părinte vechi.
Semi-conservator - Sinteza ADN-ului începe cu atașarea enzimei helicaza la originea replicării, care derulează secțiuni de ADN. Proteina de legare a ADN-ului (DBP) este atașată la fiecare dintre lanțuri, împiedicând conectarea acestora. Unitatea de replicare este repliconul - aceasta este regiunea dintre două puncte în care începe sinteza lanțurilor fiice. Interacțiunea enzimelor cu originea replicării se numește inițiere. Acest punct se deplasează de-a lungul lanțului (3 "OH>5" F) și se formează o furcă de replicare.
Sinteza unui nou lanț are loc intermitent cu formarea de fragmente cu lungimea de 700-800-2000 de resturi de nucleotide. Există un punct de început și un punct final pentru replicare. Repliconul se mișcă de-a lungul moleculei de ADN și noile sale secțiuni se desfășoară. Fiecare dintre lanțurile mamă este un șablon pentru lanțul fiică, care este sintetizat conform principiului complementarității. Ca urmare a legăturilor succesive de nucleotide, lanțul ADN este prelungit (etapa de alungire) cu ajutorul enzimei ADN ligaza. Când lungimea necesară a moleculei este atinsă, sinteza se oprește - terminare. La eucariote, mii de furci de replicare funcționează simultan. La procariote, inițierea are loc într-un punct al inelului ADN, cu două furci de replicare care se deplasează în 2 direcții. În punctul în care se întâlnesc, moleculele de ADN cu două catene sunt separate.
Dispersat - descompunerea ADN-ului în fragmente de nucleotide, noul ADN dublu catenar constă din fragmente noi și părinte asamblate spontan.
ADN-ul eucariot este similar ca structură cu ADN-ul procariotic. Diferențele se referă la: cantitatea de ADN după genă, lungimea moleculei de ADN, ordinea de alternanță a secvențelor de nucleotide, forma pliului (la eucariote este liniară, la procariote este circulară).
Eucariotele se caracterizează prin redundanță ADN: cantitatea de ADN implicată în codificare este de numai 2%. O parte din excesul de ADN este reprezentat de seturi identice de nucleotide repetate de multe ori (repetări). Există secvențe multiple și moderat repetate. Ele formează heterocromatina constitutivă (structurală). Este încorporat între secvențe unice. Genele redundante au 104 copii.
Cromozomul metafază (cromatina spiralată) este formată din două cromatide. Forma este determinată de prezența unei constricții primare - centromerul. Împarte cromozomul în 2 brațe.
Locația centromerului determină principalele forme ale cromozomilor:
metacentric,
submetacentric,
acrocentric,
Telocentric.
Gradul de spiralizare a cromozomilor nu este același. Se numesc regiuni ale cromozomilor cu spiralizare slabă eucromatic. Aceasta este o zonă cu activitate metabolică ridicată în care ADN-ul este compus din secvențe unice. Zona cu spiralare puternica - heterocromatic regiune capabilă de transcriere. Distinge constitutiv heterocromatina - inert genetic, nu conține gene, nu se transformă în eucromatină și, de asemenea opțional, care se poate transforma în eucromatină activă. Secțiunile terminale ale secțiunilor distale ale cromozomilor se numesc telomeri.
Cromozomii sunt împărțiți în autozomi (celule somatice) și heterocromozomi (celule germinale).
La sugestia lui Levitsky (1924), setul diploid de cromozomi somatici ai unei celule a fost numit cariotip. Se caracterizează prin numărul, forma și dimensiunea cromozomilor. A descrie cromozomii cariotipului conform propunerii lui S.G. Navashina sunt aranjate în formă idiograme - cariotip sistematic. În 1960, a fost propusă Clasificarea Internațională a Cromozomilor Denver, în care cromozomii sunt clasificați în funcție de dimensiunea și locația centromerului. În cariotipul unei celule somatice umane, există 22 de perechi de autozomi și o pereche de cromozomi sexuali. Setul de cromozomi din celulele somatice se numește diploid, și în celulele germinale - haploid (El egal cu jumătate din setul de autozomi). În idiograma cariotipului uman, cromozomii sunt împărțiți în 7 grupe, în funcție de dimensiunea și forma lor.
1 - 1-3 metacentrice mari.
2 - 4-5 mari submetacentrice.
3 - 6-12 și cromozomul X sunt metacentrici medii.
4 - 13-15 mediu acrocentric.
5 - 16-18 meta-submetacentric relativ mici.
6 - 19-20 mic metacentric.
7 - 21-22 și cromozomul Y sunt cel mai mic acrocentric.
Conform Clasificarea Parisului cromozomii sunt împărțiți în grupuri în funcție de dimensiunea și forma lor, precum și de diferențierea liniară.
Cromozomii au următoarele proprietăți (reguli cromozomiale):
1. Individualități - diferențe între cromozomii neomologi.
2. Perechi.
3. Constanța numărului – caracteristică fiecărui tip.
4. Continuitate – capacitatea de a se reproduce.
Codul genetic este un sistem de înregistrare a informațiilor genetice despre structura unei molecule de proteine din moleculele de ADN. O proteină este formată din aminoacizi, dintre care sunt doar 20. Aminoacizii dintr-o moleculă de proteină sunt aranjați într-o ordine liniară, ca nucleotidele dintr-o moleculă de ADN. Secvența AK într-o proteină este determinată de secvența nucleotidelor dintr-o moleculă de ADN, codul său genic. Proprietățile codului 1) Tripletate - Fiecare aminoacid este codificat de trei nucleotide. Un triplet de nucleotide se numește codon. 2) Nesuprapunere - tripleții urmează unul după altul. Fiecare nucleotidă face parte dintr-un singur codon. Tripleții nu se suprapun unul pe altul. 2) Unidirecționalitate - Citirea informațiilor genetice are loc de-a lungul a 3 nucleotide într-o direcție, fără inserții între nucleotide. 4) Expresivitatea (redundanța) – 1 prezența tripleților redundanți necesari codificării aminoacizilor. 2 Prezența codonilor „Nonsens” UAA UAG UGA codoni de terminare, codoni de inițiere AUG și GUG. 5) Universalitate - în toate organismele vii aceiași aminoacizi sunt codificați de aceleași tripleți. 6) specificitatea. Nu există cazuri în care unul și același decodon ar corespunde mai multor AK.
16. Biosinteza proteinelor este un proces complex în mai multe etape de sinteză a unui lanț polipeptidic din aminoacizi, care are loc pe ribozomi cu participarea moleculelor de ARNm și ARNt. Procesul de biosinteză a proteinelor necesită cheltuieli energetice semnificative.
Sinteza proteinelor include mai multe etape:
1. Pretranscripțional. Aceasta este etapa de pornire a sintezei, timp în care molecula de ADN este activată cu ajutorul unor proteine speciale.
2. Sinteza transcripțională a ARNm are loc în nucleu, timp în care informația conținută în gena ADN este transcrisă pe ARNm cu o secvență de nucleotide complementară moleculei de ADN.
3.Transportul acoperă perioada dintre transcriere și traducere. În această etapă are loc procesarea, adică Maturarea I-ARN. Esența sa este îndepărtarea intronilor (regiuni neinformate). Exaonii (tripleții care poartă informații despre AK) sunt păstrați și uniți într-un singur lanț cu ajutorul enzimelor ligază. Acest fenomen se numește splicing. ARNm îmbinat este transportat de la nucleu la citoplasmă folosind proteine purtătoare.
4. Translația este sinteza unui lanț polipeptidic din AK conform ARNm de codificare. În timpul traducerii, informația genetică este tradusă într-o secvență de aminoacizi: ADN, ARNm, proteină. Aici se disting următoarele etape: inițiere, alungire, terminare.
iniţierea - recunoaşterea codonului de start de către ribozom şi începutul sintezei.
alungirea este sinteza propriu-zisă a proteinelor.
terminare - recunoașterea codonului de terminare (codon stop) și separarea produsului.
Astfel, în procesul de biosinteză a proteinelor, se formează noi molecule de proteine în conformitate cu informațiile exacte conținute în ADN. Acest proces asigură reînnoirea proteinelor, proceselor metabolice, creșterea și dezvoltarea celulelor, adică toate procesele de viață ale celulei.
17. Translația este sinteza unui lanț polipeptidic din AK conform ARNm de codificare. În timpul traducerii, informația genetică este tradusă într-o secvență de aminoacizi: ADN, ARNm, proteină. Translația este o parte foarte importantă a metabolismului global al celulei, implică cel puțin 20 de enzime (aminoacil sintetaze), până la 60 de t-ARN diferite, 3-5 molecule de r-ARN și macromolecule de r-ARN. Aici se disting următoarele etape: inițiere, alungire, terminare.
Inițierea - începutul difuzării. Se formează un ribozom complet, se atașează ARNm și se stabilește primul aminoacid. În timpul translației, ribozomii sunt într-o stare „asamblată”. În întregul ribozom, există un loc pentru atașarea ARNt „încărcat” cu un aminoacid (adică aminoacil-ARNt) - un situs acceptor (situl A) și un loc pentru reținerea ARNt cu un lanț polipeptidic în creștere - peptidil ( P-site) (în biologia moleculară expresia „lanț de site” este adesea înlocuită cu termenul de „sit”). În timpul inițierii (cu participarea a trei factori proteici auxiliari), ARNm se leagă de subunitatea mică a ribozomului, apoi ARNt-ul „încărcat” (care poartă un aminoacid) este atașat la primul codon cu anticodonul său, iar după aceea marele subunitatea ribozomului este atașată complexului rezultat.
2. Alungirea. Un alt aminoacil-ARNt este adăugat celui de-al doilea codon (în situsul A al ribozomului). Se formează o legătură peptidică între gruparea carboxil (-COOH) a primului aminoacid și gruparea amino (-NH) a celui de-al doilea. După aceasta, primul aminoacid este detașat de ARNt-ul său și „atârnă” de aminoacidul celui de-al doilea ARNt conectat la acesta. Primul ARNt gol este eliberat din complexul cu ribozomul, iar situsul P devine neocupat. Ribozomul „face un pas” de-a lungul ARNm. În acest caz, ARNt cu aminoacizi se deplasează de la situsul A la situsul P. „Pasul” ribozomului este întotdeauna strict definit și egal cu trei nucleotide (codon). Mișcarea unui ribozom de-a lungul ARNm se numește translocare. La fel ca replicarea și transcripția, translocarea are loc întotdeauna în direcția 5" - 3" a ARNm.
3. Rezilierea. Sinteza lanțului polipeptidic continuă până când ribozomul ajunge la unul dintre cei trei codoni stop. În acest moment, lanțul proteic se separă și ribozomul se disociază în subunități. Aproape toate proteinele, la terminarea sintezei lor, suferă maturare sau procesare - reacții de modificări post-translaționale. După aceasta, ei (în principal prin „conducta” reticulului endoplasmatic) sunt transportați la destinație.
Post-difuzare. Se formează structura secundară și terțiară a proteinei, adică se formează structura finală a proteinei.
18. Fiecare organism se caracterizează prin propriul set de proteine care îndeplinesc funcțiile necesare și asigură formarea tuturor caracteristicilor organismului. Sinteza proteinelor sau implementarea informației genetice are loc în fiecare celulă vie în conformitate cu programul său genetic, înregistrat folosind un cod genetic în moleculele de acid nucleic. Sinteza proteinelor este un proces complex, în mai multe etape, de formare a unei molecule proteice (polimer) din aminoacizi (monomeri), care este imposibil fără participarea acizilor nucleici, a unui număr mare de enzime, energie (ATP), ribozomi, aminoacizi. acizi și ioni de Mg2+. Gena are o structură discontinuă. Regiunile de codificare sunt exoni, iar regiunile necodificatoare sunt introni. Gena din organismele eucariote are o structură exon-intron. Intronul este mai lung decât exonul. În timpul procesării, intronii sunt „decupați” - îmbinare. După formarea ARNm matur, după interacțiunea cu o proteină specială, acesta trece într-un sistem - un informozom, care transportă informații în citoplasmă. Acum sistemele exon-intron sunt bine studiate (de exemplu, oncogene P-53). Uneori, intronii unei gene sunt exoni ai alteia, atunci splicing-ul este imposibil.
Prelucrare. Mecanismele moleculare asociate cu „maturarea” diferitelor tipuri de ARN se numesc procesare. Ele au loc în nucleu înainte de eliberarea ARN din nucleu în citoplasmă.
În timpul procesului de „maturare” ARNm, enzimele speciale decupează intronii și unesc regiunile active care rămân (exoni). Acest proces se numește îmbinare. Prin urmare, secvența de nucleotide din ARNm matur nu este complet complementară cu nucleotidele ADN. În ARNm pot exista astfel de nucleotide în apropiere încât nucleotidele complementare din ADN să fie situate la o distanță considerabilă unele de altele.
Îmbinarea este un proces foarte precis. Perturbarea sa modifică cadrul de citire a traducerii, ceea ce duce la sinteza unei peptide diferite. Precizia exciziei intronului este asigurată de recunoașterea enzimatică a anumitor secvențe de nucleotide semnal din molecula pro-ARNm.
19 . În orice moment, 20% dintre gene lucrează într-o celulă, nu toate. Jacob și Monod au fost primii care au studiat mecanismul de activare și dezactivare a genelor folosind bacteria Escherichia coli. În 1966, au formulat ipoteza reglării automate a sintezei proteinelor după principiul feedback-ului. Într-un experiment, ei au demonstrat că într-o celulă procariotă există o reglare automată a funcției genelor și a sintezei proteinelor. Schema Jacob-Monot. Conform ipotezei lor, citirea informațiilor din genele structurale are loc în blocuri, adică unitatea de transcripție este operonul bloc. Este format din mai multe gene structurale, care sunt implicate în prima cascadă de reacții. La capul lor se află o secțiune de operator ADN care separă promotorul de genele structurale, de care este atașată polimeraza în timpul transcripției. Există încă gene reglatoare în celulă, situate în afara operonului, care controlează sinteza proteinei represoare. Are rolul de a activa și dezactiva genele prin legarea de un operator de operon. Proteina represoare liberă este blocată de operator, împiedicând trecerea polimerazei la genele structurale. Reprimarea de la operator este eliminată de un inductor, care este un metabolit care intră în celulă (nu oricare, ci unul a cărui descompunere necesită enzime codificate de acest operon). Metabolitul atrage proteina represoare, formând cu aceasta un complex inactiv. Ca urmare, blocarea operatorului este eliminată și calea pentru polimerază este deschisă.
Georgiev 1972 – reglarea transcripției la eucariote. Unitate
transcripție - transcriptonă, constând din non-informativ (acceptor)
și zone informative (structurale).
Zona non-informativă: gene promotor, inițiator, operator.
Zona informativă: o genă structurală cu un exon mozaic
structura intrronica. Exonii sunt secvențe de ADN care conțin informații despre structura polipeptidei, iar intronii sunt inserții din secțiuni neinformative ale ADN-ului. Transcrierea se termină cu un terminator.
Reglarea transcripției la eucariote este în esență aceeași ca și în
procariote, dar este combinațional și este mai complex.
20. Ingineria genetică sau tehnologia modificării genetice este un set de metode biotehnologice care fac posibilă crearea de sisteme sintetice la nivel biologic molecular.
Ingineria genetică face posibilă construirea de structuri funcțional active sub formă de acizi nucleici recombinanți: recDNA sau recRNA - în afara sistemelor biologice (in vitro), apoi introducerea lor în celule.
Posibilitatea transferului direct (orizontal) al informaţiei genetice de la o specie biologică la alta a fost dovedită în experimentele lui F. Griffith cu pneumococi (1928).
Cu toate acestea, ingineria genetică ca tehnologie recDNA a apărut în 1972, când primul ADN recombinant (hibrid) (recDNA) a fost obținut în laboratorul lui P. Berg (Universitatea Stanford, SUA), în care au fost combinate fragmente de ADN ale fagului lambda și Escherichia coli. cu ADN circular al virusului simian SV40.
De la începutul anilor 1980. realizările ingineriei genetice încep să fie folosite în practică.
Din 1996, plantele modificate genetic sunt folosite în agricultură.
Obiectivele ingineriei genetice
Principalele direcții de modificare genetică a organismelor:
– conferirea rezistenței la pesticide (de exemplu, la anumite erbicide);
– conferirea rezistenței la dăunători și boli (de exemplu, modificarea Bt);
– productivitate crescută (de exemplu, creșterea rapidă a somonului transgenic);
– conferirea de calități speciale (de exemplu, modificarea compoziției chimice).
Biotehnologia este o disciplină care studiază posibilitățile de utilizare a organismelor vii, a sistemelor lor sau a produselor activității lor vitale pentru a rezolva probleme tehnologice, precum și posibilitatea de a crea organisme vii cu proprietățile necesare folosind inginerie genetică.
Biotehnologia este adesea menționată ca aplicarea ingineriei genetice în secolele 20 și 21, dar termenul se referă și la un set mai larg de procese de modificare a organismelor biologice pentru a satisface nevoile umane, începând cu modificarea plantelor și animalelor domestice prin selecție artificială. și hibridizare. Cu ajutorul metodelor moderne, producția biotehnologică tradițională are posibilitatea de a îmbunătăți calitatea produselor alimentare și de a crește productivitatea organismelor vii.
21. Durata de viață a unei celule de la formarea ei până la următoarea diviziune sau moarte se numește ciclul de viață al celulei (CLC). În LCC al celulelor eucariote ale unui organism multicelular, pot fi distinse mai multe perioade (faze), fiecare dintre acestea fiind caracterizată de anumite caracteristici morfologice și funcționale:
- faza de reproducere si crestere
- faza de diferentiere
- faza normala de activitate
- faza de îmbătrânire și moarte celulară.
În ciclul de viață al unei celule, se poate distinge și ciclul mitotic, care include pregătirea celulei pentru diviziune și diviziunea în sine.
Ciclul celular este un set de procese care include perioada de pregătire a celulei pentru diviziunea și diviziunea în sine. Constă din două etape - etapa de repaus (interfaza) și etapa de diviziune (mitoză)
Interfaza precede mitoza și este locul unde are loc sinteza ADN-ului. Pregătirea unei celule pentru diviziune constă din 3 perioade: 1) Presintetic 2) Sintetic 3) Postsintetic
Ar putea fi util să citiți:
- La ce altitudine zboară ISS?;
- Istoria creării ISS. Referinţă. Experții s-au exprimat în favoarea extinderii operațiunii ISS Cine a construit ISS și când;
- Lucruri ciudate din universul nostru În toate găurile cu soția mea;
- Recenzie despre Inimi curajoase: Marele Război;
- Codarea și implementarea informațiilor biologice într-o celulă, codul genetic și proprietățile acesteia;
- Pădure cu râpe, teren impracticabil în vremuri străvechi;
- Zecharia Sitchin și cărțile sale Mitologia ca jurnalism antic;
- Fotografii ciudate și misterioase care nu au nicio explicație Cele mai misterioase și misterioase fotografii;