Молекула ДНК складається з двох. Дезоксирибонуклеїнова кислота

Зі шкільного курсу біології відомо про те, що ДНК – це «банк даних», в якому зберігається інформація про все живе. Саме ДНК уможливлює передачу даних про розвиток та функціонування живих організмів при їх розмноженні. Дезоксирибонуклеїнова кислота – основа всього живого. Саме завдяки цій молекулі всі організми здатні зберігати свою популяцію. А що Ви знаєте про людську ДНК?

У 1869 році світ дізнався про існування ДНК: це відкриття зробив Йоган Фрідріх Мішер. А ще через майже 100 років (1953) два видатних вчених зробили сенсаційне відкриття: ДНК складається з подвійної спіралі. Цими вченими були Френк Крик і Джеймс Вотсон. З того часу, ось уже понад 50 років, вчені всього світу намагаються розкрити всі таємниці ДНК.

ДНК людини – загадка розкрита:

– ДНК всіх людей на планеті на 99,9% – ідентична, і лише на 0,1% – унікальна. Саме цей 0,1% впливає на те, хто ми та які ми. Іноді так трапляється, що це значення (0,1%) поводиться дуже несподіваним чином: народжуються діти, схожі не на батьків, а на прабабуся або прадіда одного з батьків, а іноді виявляються ще дальніші предки.

– Ми на 30% салат та на 50% банан! І це справді так: ДНК кожного з нас, незалежно від віку, статі, кольору шкіри та інших ознак, ідентично з ДНК листя салату та бананом на 30 та 50 відсотків відповідно.

– Еритроцити (червоні кров'яні тільця) – єдині клітини, у яких відсутня ДНК.

– У ДНК людини 80 тис. генів, а 200 із них успадковано від бактерії.

- Дуже рідко на світ з'являються люди, у яких не 1, а 2 набори ДНК. Таких людей називають химерами, у тому організмі органи мають різні ДНК.

- У людини всього на 2 хромосоми менше, ніж у шимпанзе.

- У генетичного коду людини 2 значення. Раніше вважалося, що значення 1, але американський вчений Джон Стаматойаннопулос разом із своєю командою у 2013 році відкрив друге значення. Завдяки цьому відкриттю західна медицина почала розвиватися у напрямі вивчення геному людини, що надалі дозволить проводити «генетичне» лікування.

– У космосі є «Диск безсмертя», де зберігаються оцифровані ДНК деяких видатних особистостей.

– На нашій планеті є живі організми, чия ДНК за найсприятливіших умов життя могла б забезпечити їм безсмертя. Але людина до них не належить.

І це далеко не всі загадки маленької молекули, без якої життя на Землі було б неможливим.

Новий погляд на ДНК

ДНК для більшості з нас представляє глибоку таємницю. Ми чуємо це слово, начебто розуміємо його значення, але навіть не уявляємо собі, наскільки це складна штука і навіщо вона, власне, потрібна. Отже, спробуймо разом у цьому розібратися. Спочатку поговоримо про те, чого нас навчали у школі, а потім про те, чого не вчили.

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) – це головна програма людини.З хімічної точки зору це дуже довга полімерна молекула, що має вигляд двох ланцюжків, що спірально закручуються навколо один одного. Кожен ланцюг складається з повторюваних «будівельних блоків», званих нуклеотидами. Кожен нуклеотид складається з цукру (дезоксирибози), фосфатної групиі власне азотистої основи.Зв'язки між нуклеотидами в ланцюзі утворюються за рахунок дезоксирибози та фосфатної групи. А азотисті основи забезпечують зв'язок між двома спіральними ланцюгами. Тобто власне створення живої матерії. Підстави бувають чотирьох видів. І саме їхня послідовність формує генетичний код.

Генетичний код Людини містить близько трьох мільярдів пар основ ДНК і близько 23 000 генів (за останніми підрахунками), які відповідають за всі властиві нам ознаки та якості. Сюди входить все, що ми отримуємо від природи, а також те, що ми успадковуємо від батьків та їхніх батьків. Ген – це одиниця спадковості живого організму. У ньому може бути інформація про колір очей, про те, як створити нирку, і про спадкові захворювання, такі як хвороба Альцгеймера. Отже спадковість - це як якості батьків, а й загальні якості людини. Можна сказати, що гени містять все, що в нас є людського, разом із унікальними особливостями, успадкованими від батьків. Можливо, ви чули також про РНК (рибонуклеїнову кислоту). Вона бере участь у процесі транскрипції, з якого фактично починається виробництво білків та управління ними. ДНК - це матриця, на якій створюється РНК, і програма, якою слідує цей процес.

Слухайте уважно: цю крихітну молекулу у вигляді подвійної спіралі можна побачити лише дуже потужний електронний мікроскоп. Але вона складається із трьох мільярдів частин! Можете уявити, наскільки малі ці частини? Ми, по суті, бачимо лише форму ДНК, відкриту Уотсоном і Криком в Англії в 1953 на підставі рентгеноструктурних даних, отриманих Розалінд Франклін.<…>

Потрібно було ще 43 роки, перш ніж у лютому 2001 року вчені змогли намалювати структуру всієї молекули ДНК.<…>

Потім почалася справжня робота, адже дослідження структури показало лише загальну хімічну будову ДНК. Уявіть, що це букви у гігантській книзі. Тепер вчені знали кожну букву, але гадки не мали, що це за мова! Їм необхідно було розгадати мову, щоб побачити всю картину, зрозуміти слова у книзі та знайти гени. Саме тоді вони виявили, що справа набуває несподіваного обороту. Найкращі вчені та найпотужніші комп'ютери країни щосили намагалися знайти коди, які очікували побачити в хімічній структурі геному людини.

Ми мислимо тривимірно. З цим нічого не вдієш. Така наша реальність, і не можна сподіватися, що ми уникнемо цього. Але це часто заважає нам бачити велику картину. Наука зараз починає голосно заявляти, що Всесвіт і все, що знаходиться в ній - багатовимірні. Тож рано чи пізно нам доведеться винайти математику, яка б змогла відповідати такій моделі, а також відкрити нові фізичні закони та навчитися ширшого мислення. А поки що вчені роблять дуже серйозні припущення про те, що геном людини є лінійним і вся генетична структура людини укладена в трьох мільярдах «літер» ДНК. Але це негаразд.<…>

Всупереч логіці, вчені не змогли знайти коди, хоча абсолютно точно знали, що вони там є. Вони використовували найкращі сучасні комп'ютери, здатні зламувати коди, у пошуках тієї симетрії, яку породжує будь-яка мова. І вони знайшли її. Знахідка, напевно, вразила їх наповал, і в той же час підкинула їм найбільшу біологічну загадку віку.

З усієї хімічної структури найскладнішого геному Людини лише 4% несуть у собі код!Тільки кодуюча білок ДНК містить у собі чіткий код для виробництва генів, і його присутність там була цілком очевидною. Це настільки тривимірно, що буквально можна було побачити позначки «старт» та «стоп» у послідовності генів! Як і сучасні комп'ютерні коди, хімія підлаштовувалась під наші очікування, але лише мала частина геному Людини брала участь у виробництві 23 000 генів людського тіла. Решта перебувало там ніби «ні для чого».

Дозвольте навести вам аналогію такого розчарування. Над нами з'являється літаюча тарілка. Вона робить дивовижні трюки - зависає в повітрі, ігнорує гравітацію і веде себе так, як ми і очікуємо від літаючої тарілки. Потім вона приземляється. Ми наближаємось і розуміємо, що всередині нікого немає. Мабуть, це робот-зонд, посланий на Землю. Несподівано верхня частина тарілки піднімається, запрошуючи найкращих учених поглянути на принципи її роботи. Ми дуже збуджені, розуміючи, що близькі до розгадки деяких таємниць. Ми ось-ось відкриємо нову фізику! Ми починаємо шукати двигун, і на нас чекає сюрприз: руховий відсік догори набитий якимось сміттям! Ні, мабуть, це швидше схоже на пінопластові гранули, які у нас засипають як наповнювач в упаковці з посудом. Ці гранули явно пов'язані один з одним, якась їхня частина навіть ворушиться, але вони нічого не роблять. У цьому матеріалі не видно жодної структури; він просто заповнює простір. Ви розкопуєте "наповнювач" лопатою, викидаєте гранули відро за відром і нарешті знаходите крихітний блискучий предмет, з якого виходять якісь дроти. Очевидно, що це предмет і є двигун, серце корабля. Такий маленький! Поміщається у долоню, а керує всім! Ви намагаєтесь його запустити. І тут з'ясовується, що без «наповнювача» тарілка, що літає, не хоче літати. Ви засипаєте гранули назад - і тарілка знову літає! То що, виходить, «наповнювач» таки щось робить? Чи ні? Як може наповнювач щось робити? Помилка зрозуміла. Ми очікували побачити двигун – щось блискуче, обплутане проводами, лінійне та завершене за своєю структурою – і ми знайшли це. Те, що здалося нам «наповнювачем», «упаковкою», ми одразу викинули. Ви розумієте, в чому помилка і в чому метафора?

Виходив анекдот. ДНК складається з трьох мільярдів частин, більшість яких нічого не робить! Лише чотири крихітні відсотки виконують усю роботу! Що за нісенітниця! Ми знаємо, що природа дуже раціональна. Ми можемо спостерігати за еволюцією живих істот навіть протягом одного нашого життя, і ми розуміємо, наскільки природа є доцільною. Якщо риби виявляються замкненими у підземній печері, то через десять років, або близько того, у них зникають очі. Природа викреслює все, у чому немає потреби, і ми бачимо це всюди. Однак 96% нашої ДНК просто сміття! Ми, вершина еволюції, на 96% складаємося зі сміття? Це суперечить усьому, що ми спостерігаємо у природі, проте саме так і виходило. Частини ДНК, які не кодують білок, навіть найкращими умами було оголошено «сміттям».Ділянки, що не кодують білок, були випадковими, не мали ні симетрії, ні видимої мети і здавалися марними.

Знайомтеся: нетривимірні мислителі

Спробуємо підійти до нашої тарілці з новими ідеями. Можливо, цей на вигляд хаотичний наповнювач зовсім не є частиною двигуна. Можливо, це мапа! Зрештою, корабель повинен знати, куди прямує. Потім ви думаєте, що це якийсь інший тип картки. Можливо, у квантовому стані кораблю потрібна квантова карта? Що це могло бути? Що має бути щось таке, що дозволило йому існувати в лінійному світі, але могло б віддавати інструкції крихітному блискучому двигуну, щоб той контролював судно в трьох вимірах. В даному випадку ми знаємо, що корабель має багатовимірні характеристики, тому що він може контролювати свою масу. Ми також знаємо з нашої квантової фізики, що коли ми переходимо в багатовимірний світ, час і простір, якими ми їх знаємо, перестають існувати. Ці два поняття замінюються потенціалами і повністю нелінійною і заплутаною великою кількістю «подійних правил», які в третьому вимірі мають для нас дуже мало сенсу. Таким чином, дивний і хаотичний наповнювач зовсім не є невпорядкованим - просто він виглядає таким для тривимірних створінь (вас, мене і вчених)! Він повинен бути саме там, де і знаходиться, щоб двигун мав можливість переміщати корабель. Можна сказати, що "наповнювач" - це модифікатор двигуна, і він повинен бути присутнім у значних кількостях, тому що йому дуже багато потрібно "сказати" двигуну про те, як рухатися багатовимірним способом.

Роками ми мирилися з виразом «сміттєва ДНК». Але раптом ми почали думати інакше. «Що, якщо,- Сказав хтось, - у смітті немає коду, тому що його там і не повинно бути? Що, якщо ці 96% ДНК якимось чином містять нелінійні квантові правила, які керують закодованими частинами? Це абсолютно нова і спірна концепція - але вона принаймні виходить за межі обмеженої тривимірної логіки!

Ось повідомлення з Каліфорнійського університету до Сан-Дієго від 13 липня 2007 року, передане в новинах «Сі-Бі-Ес»:

Так звана «сміттєва ДНК» - 96% геному людини, які здаються марними, - може відігравати важливішу роль, ніж передбачає її назва, стверджують американські вчені. Міжнародна група вчених виявила, що якась частина «сміттєвої» ДНК може бути для створення рамок, які допомагають належним чином організувати решту 4%. «Деяку частину сміттєвої ДНК можна вважати розділовими знаками, комами і точками, що допомагають зрозуміти зміст закодованих ділянок геному», - каже співавтор цієї теорії Вікторія Луняк, науковий співробітник КУСД.

Я думаю, що ми починаємо бачити багатовимірний аспект своєї біології, який, очевидно, величезний! Що, якщо 96% нашої ДНК – набір інструкцій для решти 4%?Тоді ця частина не хаотична, вона здається такий тривимірному мисленню. Чи можуть розділові знаки здаватися буквами алфавіту? Ні. Тоді що ж це? Чи мають вони симетрію? Чи вимовляються вони якось? Ні. Якщо ви подивіться на розділові знаки в нашій мові, то може здатися, що вони розставлені у випадковому порядку. Якби ви, наприклад, подивилися на цю сторінку, нічого не знаючи про мову і про її пристрій, то розділові знаки здалися б вам безглуздими. Вони не мають симетрії. Якщо ви пропустите цю сторінку через суперкомп'ютер, він в кінцевому підсумку визначить слова і їх ймовірний зміст, але не розділові знаки.

Подумайте про це. Двигун, котрий ми шукали у літаючій тарілці, дійсно там. Ця частка в 4%, що кодує білок, служить «блискучим двигуном». А «сміття» – це 96%, схожі на гранульований наповнювач. Тепер ми підозрюємо, що відбувається щось зовсім інше, і 96% насправді можуть виявитися багатовимірним шаблоном конструктора, а 4% просто двигуном, який підпорядковується його задуму.

Хіба це співвідношення не видається вам цікавим? Відповідно до вчення Крайона, лише 8% ДНК перебувають у третьому вимірі, а 92% ДНК керують рештою.

Можливо, ми стаємо свідками поступового визнання того факту, що функції ДНК значно відрізняються від наших очікувань і вона є чимось складнішим, ніж просто код, який можна зчитувати хімічно.

уривки з книги Крайона та Лі Керролла, «Дванадцять шарів ДНК»

(РНК), які є полімерами, а точніше - полінуклеотидами (мономер - нуклеотид).

ДНК відповідає за зберігання та передачу при розподілі клітин генетичного коду. Саме через молекули ДНК реалізуються спадковість та мінливість. На ДНК синтезуються усі види РНК. Далі різні типи РНК спільно забезпечують синтез білків клітини, т. е. реалізують генетичну інформацію.

У клітинах еукаріотів переважна кількість ДНК знаходиться в ядрі, де вони утворюють комплекси з особливими білками, в результаті чого утворюються хромосоми. У клітинах прокаріотів існує одна велика кільцева (або лінійна) молекула ДНК (також у комплексі з білками). Крім того в клітинах еукаріотів своя ДНК є в мітохондріях і хлоропластах.

У разі ДНК кожен нуклеотид складається з 1) азотистої основи, яка може бути аденіном, гуаніном, цитозином або тиміном, 2) дезоксирибози, 3) фосфорної кислоти.

Послідовність нуклеотидів у ланцюжку ДНК визначає первинну структуру молекули. Для ДНК характерна вторинна структура молекули у формі подвійної спіралі (найчастіше правозакрученої). При цьому два ланцюги ДНК з'єднуються між собою водневими зв'язками, що утворюються між комплементарними азотистими основами.

Аденін комплементарний тиміну, а гуанін – цитозину. Між аденіном і тиміном утворюються два водневі зв'язки, а між гуаніном та цитозином – три. Таким чином, гуанін та цитозин з'єднані між собою трохи міцніше (хоча водневі зв'язки в принципі слабкі). Кількість зв'язків визначається особливостями будови молекул.

Аденін і гуанін відносяться до пуринів і складаються з двох кілець. Тімін і цитозин відносяться до піримідинових основ, що складаються з одного кільця. Таким чином між кістяками (що складаються з дезоксирибози і фосфорної кислоти, що чергуються) двох ланцюгів ДНК при будь-якій парі нуклеотидів різних ланцюгів завжди існує три кільця (оскільки двокільцевий пурин завжди комплементарний тільки певному однокільцевому піримідину). Це дозволяє зберігати ширину між ланцюгами молекули ДНК однакової протягом усього (приблизно 2,3 нм).

В одному витку спіралі знаходиться приблизно 10 нуклеотидів. Довжина одного нуклеотиду приблизно 0,34 нм. Довжина молекул ДНК зазвичай величезна, перевищує мільйони нуклеотидів. Тому, щоб компактніше розміститися в ядрі клітини, ДНК піддається різного ступеня «надспіралізації».

При зчитуванні інформації з ДНК (тобто синтез на ній РНК, цей процес називається транскрипцією) відбувається деспіралізація (процес зворотної спіралізації), два ланцюжки розходяться під дією спеціального ферменту. Водневі зв'язки слабкі, тому поділ і надалі зшивання ланцюгів відбувається за малої витраті енергії. РНК синтезується на ДНК згідно з тим самим принципом комплементарності. Тільки замість тиміну в РНК аденіну комплементарний урацил.

Генетичний код, записаний на молекулах ДНК, складається з триплетів (послідовностей трьох нуклеотидів), що позначають одну амінокислоту (мономер білка). Проте більшість ДНК не кодує білок. Значення таких ділянок молекули по-різному, багато в чому остаточно не з'ясовано.

Перед поділом клітини завжди відбувається подвоєння кількості ДНК. Цей процес називається реплікацією. Вона має напівконсервативний характер: ланцюги однієї молекули ДНК розходяться, і на кожній добудовується свій новий комплементарний ланцюг. У результаті однієї дволанцюгової молекули ДНК виходять дві двухцепочные ДНК, ідентичні першої.

У ДНК полінуклеотидні ланцюги різноспрямовані, тобто там, де в одного ланцюга 5"-кінець (залишок фосфорної кислоти приєднаний до п'ятого атома вуглецю дезоксирибози), у іншого - 3" (вуглець, вільний від фосфорної кислоти).

При реплікації та транскрипції синтез завжди йде у напрямку від 5"-кінця до 3", оскільки нові нуклеотиди можуть приєднуватися тільки до вільного 3" атома вуглецю.

Будова та роль ДНК як речовини, що відповідає за спадкову інформацію, було з'ясовано у 40-50-х роках XX століття. У 1953 році Д. Вотсон та Ф. Крик визначили дволанцюжкову структуру ДНК. Раніше Е. Чаргафф з'ясував, що у ДНК кількість тиміну завжди відповідає аденіну, а кількість гуаніну – цитозину.

До нуклеїновим кислотамвідносять високополімерні сполуки, що розпадаються при гідролізі на пуринові та піримідинові основи, пентозу та фосфорну кислоту. Нуклеїнові кислоти містять вуглець, водень, фосфор, кисень та азот. Розрізняють два класи нуклеїнових кислот: рибонуклеїнові кислоти (РНК)і дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК).

Будова та функції ДНК

ДНК- Полімер, мономерами якої є дезоксирибонуклеотиди. Модель просторової будови молекули ДНК у вигляді подвійної спіралі була запропонована в 1953 р. Дж. Вотсоном і Ф. Криком (для побудови цієї моделі вони використовували роботи М. Вілкінса, Р. Франклін, Е. Чаргаффа).

Молекула ДНКутворена двома полинуклеотидными ланцюгами, спірально закрученими друг біля одного разом навколо уявної осі, тобто. являє собою подвійну спіраль (виняток - деякі ДНК-віруси мають одноланцюгову ДНК). Діаметр подвійної спіралі ДНК – 2 нм, відстань між сусідніми нуклеотидами – 0,34 нм, на один оберт спіралі припадає 10 пар нуклеотидів. Довжина молекули може досягати кількох сантиметрів. Молекулярна вага — десятки та сотні мільйонів. Сумарна довжина ДНК ядра клітини людини – близько 2 м. В еукаріотичних клітинах ДНК утворює комплекси з білками та має специфічну просторову конформацію.

Мономер ДНК – нуклеотид (дезоксирибонуклеотид)— складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) п'ятивуглецевого моносахариду (пентози) та 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи нуклеїнових кислот відносяться до класів піримідинів та пуринів. Піримидинові основи ДНК(мають у складі своєї молекули одне кільце) - тімін, цитозин. Пуринові основи(мають два кільця) - аденін та гуанін.

Моносахарид нуклеотиду ДНК представлений дезоксирибозою.

Назва нуклеотиду є похідною від назви відповідної основи. Нуклеотиди та азотисті основи позначаються великими літерами.

Полінуклеотидний ланцюг утворюється в результаті реакцій конденсації нуклеотидів. При цьому між 3"-вуглецем залишку дезоксирибози одного нуклеотиду та залишком фосфорної кислоти іншого виникає фосфоефірний зв'язок(належить до категорії міцних ковалентних зв'язків). Один кінець полінуклеотидного ланцюга закінчується 5"-вуглецем (його називають 5"-кінцем), інший - 3"-вуглецем (3"-кінцем).

Проти одного ланцюга нуклеотидів розташовується другий ланцюг. Розташування нуклеотидів у цих двох ланцюгах не випадкове, а суворо визначене: проти аденіну одного ланцюга в іншому ланцюгу завжди розташовується тімін, а проти гуаніну - завжди цитозин, між аденіном і тиміном виникають два водневі зв'язки, між гуаніном і цитозином - три водневі зв'язки. Закономірність, згідно з якою нуклеотиди різних ланцюгів ДНК строго впорядковано розташовуються (аденін - тимін, гуанін - цитозин) і вибірково поєднуються один з одним, називається принципом комплементарності. Слід зазначити, що Дж. Вотсон та Ф. Крик дійшли розуміння принципу комплементарності після ознайомлення з роботами Е. Чаргаффа. Е. Чаргафф, вивчивши величезну кількість зразків тканин та органів різних організмів, встановив, що в будь-якому фрагменті ДНК вміст залишків гуаніну завжди точно відповідає вмісту цитозину, а аденіну - тиміну ( «правило Чаргафа»), але пояснити цей факт він не зміг.

З принципу комплементарності випливає, що послідовність нуклеотидів одного ланцюга визначає послідовність нуклеотидів іншого.

Ланцюги ДНК антипаралельні (різноспрямовані), тобто. нуклеотиди різних ланцюгів розташовуються в протилежних напрямках, і, отже, навпроти 3"-кінця одного ланцюга знаходиться 5"-кінець іншого. Молекулу ДНК іноді порівнюють із гвинтовими сходами. «Перила» цих сходів — сахарофосфатний кістяк (залишки дезоксирибози і фосфорної кислоти, що чергуються); "Східці" - комплементарні азотисті основи.

Функція ДНК- Зберігання та передача спадкової інформації.

Реплікація (редуплікація) ДНК

- Процес самоподвоєння, головна властивість молекули ДНК. Реплікація відноситься до категорії реакцій матричного синтезу, що йде за участю ферментів. Під дією ферментів молекула ДНК розкручується, і біля кожного ланцюга, що виступає в ролі матриці, за принципами комплементарності та антипаралельності добудовується новий ланцюг. Таким чином, у кожній дочірній ДНК один ланцюг є материнським, а другий — знову синтезованим. Такий спосіб синтезу називається напівконсервативним.

«Будівельним матеріалом» та джерелом енергії для реплікації є дезоксирибонуклеозидтрифосфати(АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), що містять три залишки фосфорної кислоти. При включенні дезоксирибонуклеозидтрифосфатів у полінуклеотидний ланцюг два кінцеві залишки фосфорної кислоти відщеплюються, і енергія, що звільнилася, використовується на утворення фосфодіефірного зв'язку між нуклеотидами.

У реплікації беруть участь такі ферменти:

  1. гелікази («розплітають» ДНК);
  2. дестабілізуючі білки;
  3. ДНК-топоізомерази (розрізають ДНК);
  4. ДНК-полімерази (підбирають дезоксирибонуклеозидтрифосфати та комплементарно приєднують їх до матричного ланцюга ДНК);
  5. РНК-праймази (утворюють РНК-затравки, праймери);
  6. ДНК-лігази (зшивають фрагменти ДНК).

За допомогою геліказу в певних ділянках ДНК розплітається, одноланцюгові ділянки ДНК зв'язуються дестабілізуючими білками, утворюється реплікаційна вилка. При розбіжності 10 пар нуклеотидів (один виток спіралі) молекула ДНК повинна здійснити повний оберт навколо осі. Щоб запобігти цьому обертанню ДНК-топоізомераза розрізає один ланцюг ДНК, що дає можливість обертатися навколо другого ланцюга.

ДНК-полімераза може приєднувати нуклеотид тільки до 3"-вуглецю дезоксирибози попереднього нуклеотиду, тому даний фермент здатний пересуватися матричною ДНК тільки в одному напрямку: від 3"-кінця до 5"-кінця цієї матричної ДНК. , На її різних ланцюгах збірка дочірніх полінуклеотидних ланцюгів відбувається по-різному і в протилежних напрямках. лідируючою. На ланцюгу 5"-3" - уривчасто, фрагментами ( фрагменти Козаки), які після завершення реплікації ДНК-лігазами зшиваються в один ланцюг; цей дочірній ланцюг називатиметься запізнювальною (відстаючої).

Особливістю ДНК-полімерази є те, що вона може починати свою роботу тільки з «затравки» (праймера). Роль «затравок» виконують короткі послідовності РНК, що утворюються за участю ферменту РНК-праймази та спарені з матричною ДНК. РНК-затравки після закінчення збирання полінуклеотидних ланцюжків видаляються.

Реплікація протікає подібно до прокаріотів та еукаріотів. Швидкість синтезу ДНК у прокаріотів на порядок вища (1000 нуклеотидів за секунду), ніж у еукаріотів (100 нуклеотидів за секунду). Реплікація починається одночасно у кількох ділянках молекули ДНК. Фрагмент ДНК від однієї точки початку реплікації до іншої утворює одиницю реплікації. реплікон.

Реплікація відбувається перед поділом клітини. Завдяки цій здатності ДНК здійснюється передача спадкової інформації від материнської клітини дочірнім.

Репарація («ремонт»)

Репарацієюназивається процес усунення пошкоджень нуклеотидної послідовності ДНК. Здійснюється спеціальними ферментними системами клітини ( ферменти репарації). У процесі відновлення структури ДНК можна виділити такі етапи: 1) ДНК-репаруючі нуклеази розпізнають і видаляють пошкоджену ділянку, в результаті чого в ланцюзі ДНК утворюється пролом; 2) ДНК-полімераза заповнює цей пролом, копіюючи інформацію з другого («хорошого») ланцюга; 3) ДНК-лігаза "зшиває" нуклеотиди, завершуючи репарацію.

Найбільш вивчено три механізми репарації: 1) фоторепарація, 2) ексцизна, або дореплікативна, репарація, 3) постреплікативна репарація.

Зміни структури ДНК відбуваються у клітині постійно під дією реакційно-здатних метаболітів, ультрафіолетового випромінювання, важких металів та їх солей та ін. Тому дефекти систем репарації підвищують швидкість мутаційних процесів, є причиною спадкових захворювань (пігментна ксеродерма, прогерія та ін.).

Будова та функції РНК

- полімер, мономерами якої є рибонуклеотиди. На відміну від ДНК, РНК утворена не двома, а одним полінуклеотидним ланцюжком (виняток - деякі РНК-віруси мають дволанцюжкову РНК). Нуклеотиди РНК здатні утворювати водневі зв'язки між собою. Ланцюги РНК значно коротші за ланцюги ДНК.

Мономер РНК – нуклеотид (рибонуклеотид)— складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) п'ятивуглецевого моносахариду (пентози) та 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи РНК також відносяться до класів піримідинів та пуринів.

Піримидинові основи РНК – урацил, цитозин, пуринові основи – аденін та гуанін. Моносахарид нуклеотиду РНК представлений рибозою.

Виділяють три види РНК: 1) інформаційна(Матрична) РНК - іРНК (мРНК), 2) транспортнаРНК - тРНК, 3) рибосомнаРНК - рРНК.

Усі види РНК є нерозгалуженими полінуклеотидами, мають специфічну просторову конформацію і беруть участь у процесах синтезу білка. Інформація про будову всіх видів РНК зберігається у ДНК. Процес синтезу РНК на матриці ДНК називається транскрипцією.

Транспортні РНКмістять зазвичай 76 (від 75 до 95) нуклеотидів; молекулярна маса - 25 000-30 000. На частку тРНК припадає близько 10% від загального вмісту РНК у клітині. Функції тРНК: 1) транспорт амінокислот до місця синтезу білка, до рибосом, 2) трансляційний посередник. У клітині зустрічається близько 40 видів тРНК, кожен із них має характерну лише йому послідовність нуклеотидів. Однак у всіх тРНК є кілька внутрішньомолекулярних комплементарних ділянок, через які тРНК набувають конформації, що нагадує формою лист конюшини. Будь-яка тРНК має петлю для контакту з рибосомою (1), антикодонову петлю (2), петлю для контакту з ферментом (3), акцепторне стебло (4), антикодон (5). Амінокислота приєднується до 3"-кінця акцепторного стебла. Антикодон- Три нуклеотиди, що «пізнають» кодон іРНК. Слід підкреслити, що конкретна тРНК може транспортувати певну амінокислоту, відповідну її антикодону. Специфічність сполуки амінокислоти та тРНК досягається завдяки властивостям ферменту аміноацил-тРНК-синтетазу.

Рибосомні РНКмістять 3000-5000 нуклеотидів; молекулярна маса - 1000000-1500000. На частку рРНК припадає 80-85% від загального вмісту РНК в клітині. У комплексі з рибосомними білками рРНК утворює рибосоми – органоїди, які здійснюють синтез білка. В еукаріотичних клітин синтез рРНК відбувається в ядерцях. Функції рРНК: 1) необхідний структурний компонент рибосом та, таким чином, забезпечення функціонування рибосом; 2) забезпечення взаємодії рибосоми та тРНК; 3) початкове зв'язування рибосоми та кодону-ініціатора іРНК та визначення рамки зчитування; 4) формування активного центру рибосоми.

Інформаційні РНКрізноманітні за вмістом нуклеотидів та молекулярної маси (від 50 000 до 4 000 000). Перед іРНК припадає до 5% від загального вмісту РНК у клітині. Функції іРНК: 1) перенесення генетичної інформації від ДНК до рибосом; 2) матриця для синтезу молекули білка; 3) визначення амінокислотної послідовності первинної структури білкової молекули.

Будова та функції АТФ

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ)- Універсальне джерело і основний акумулятор енергії в живих клітинах. АТФ міститься у всіх клітинах рослин та тварин. Кількість АТФ у середньому становить 0,04% (від сирої маси клітини), найбільша кількість АТФ (0,2-0,5%) міститься у скелетних м'язах.

АТФ складається з залишків: 1) азотистої основи (аденіну); 2) моносахариду (рибози); 3) трьох фосфорних кислот. Оскільки АТФ містить не один, а три залишки фосфорної кислоти, вона відноситься до рибонуклеозидтрифосфатів.

Більшість видів робіт, які у клітинах, використовується енергія гідролізу АТФ. При цьому при відщепленні кінцевого залишку фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорну кислоту), при відщепленні другого залишку фосфорної кислоти — в АМФ (аденозинмонофосфорну кислоту). Вихід вільної енергії при відщепленні як кінцевого, і другого залишків фосфорної кислоти становить по 30,6 кДж. Відщеплення третьої фосфатної групи супроводжується виділенням лише 13,8 кДж. Зв'язки між кінцевим та другим, другим та першим залишками фосфорної кислоти називаються макроергічними (високоенергетичними).

Запаси АТФ постійно поповнюються. У клітинах всіх організмів синтез АТФ відбувається у процесі фосфорилювання, тобто. приєднання фосфорної кислоти до АДФ Фосфорилювання відбувається з різною інтенсивністю при диханні (мітохондрії), гліколізі (цитоплазма), фотосинтезі (хлоропласти).

АТФ є основною сполучною ланкою між процесами, що супроводжуються виділенням і накопиченням енергії, і процесами, що протікають із витратами енергії. Крім цього, АТФ поряд з іншими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) є субстратом для синтезу РНК.

    Перейти до лекції №3«Будова та функції білків. Ферменти»

    Перейти до лекції №5«Клітинна теорія. Типи клітинної організації»

Молекула ДНК і двох ниток, що утворюють подвійну спіраль. Вперше її структура була розшифрована Френсісом Криком та Джеймсом Вотсоном у 1953 році.

Спочатку молекула ДНК, що складається з пари нуклеотидних, закручених один навколо одного ланцюжків, породжувала питання, чому саме таку форму вона має. Вчені назвали цей феномен комплементарністю, що означає, що в її нитках один навпроти одного можуть бути виключно певні нуклеотиди. Наприклад, навпроти тиміну завжди стоїть аденін, а навпроти цитозину – гуанін. Ці нуклеотиди молекули ДНК називаються комплементарними.

Схематично це зображується так:

Т - А

Ц - Г

Дані пари утворюють хімічний нуклеотидний зв'язок, який визначає порядок розміщення амінокислот. У першому випадку вона трохи слабша. Зв'язок між Ц та Г більш міцний. Некомплементарні нуклеотиди між собою не утворюють пари.


Про будову

Отже, будова молекули ДНК особлива. Таку форму вона має недарма: річ у тому, що кількість нуклеотидів дуже велика, і для розміщення довгих ланцюжків потрібно багато місця. Саме з цієї причини ланцюжкам притаманне спіральне закручування. Це явище названо спіралізацією, воно дозволяє ниткам коротшати десь у п'ять-шість разів.

Деякі молекули такого плану організм використовує дуже активно, інші рідко. Останні, крім спіралізації, піддаються ще й такому «компактному пакуванню», як суперспіралізація. І тоді довжина молекули ДНК зменшується у 25-30 разів.

Що таке "упаковка" молекули?

У процесі суперспіралізації задіяні гістонові білки. Вони мають структуру та вигляд котушки для ниток або стрижня. Там і намотуються спіралізовані нитки, які стають відразу «компактно упакованими» і займають мало місця. Коли виникає необхідність використання тієї чи іншої нитки, вона змотується з котушки, наприклад, гістонового білка, і спіраль розкручується в два паралельні ланцюжки. Коли молекула ДНК перебуває саме у такому стані, з неї можна зчитувати необхідні генетичні дані. Однак є одна умова. Отримання інформації можливе тільки якщо структура молекули ДНК має розкручений вигляд. Хромосоми, доступні для зчитування, називаються эухроматинами, і якщо вони суперсипіралізовані, це вже гетерохроматини.

Нуклеїнові кислоти

Нуклеїнові кислоти, як і білки, є біополімерами. Головна функція – це зберігання, реалізація та передача спадкової (генетичної інформації). Вони бувають двох типів: ДНК та РНК (дезоксирибонуклеїнові та рибонуклеїнові). Мономерами в них виступають нуклеотиди, кожен з яких має у своєму складі залишок фосфорної кислоти, п'ятивуглецевий цукор (дезоксирибоза/рибоза) та азотисту основу. У ДНК код входить 4 види нуклеотидів - аденін (А) / гуанін (Г) / цитозин (Ц) / тимін (Т). Вони відрізняються по азотистому підставі, що міститься в їх складі.

У молекулі ДНК кількість нуклеотидів може бути величезною - від кількох тисяч до десятків та сотень мільйонів. Розглянути такі гігантські молекули можна за допомогою електронного мікроскопа. У цьому випадку вдасться побачити подвійне коло з полінуклеотидних ниток, які з'єднані між собою водневими зв'язками азотистих основ нуклеотидів.

Дослідження

У ході досліджень вчені виявили, що види молекул ДНК у різних живих організмів відрізняються. Також було встановлено, що гуанін одного ланцюга може зв'язуватися тільки з цитозином, а тимін - з аденіном. Розташування нуклеотидів одного ланцюга суворо відповідає паралельному. Завдяки такій комплементарності полінуклеотидів молекула ДНК здатна до подвоєння та самовідтворення. Але спочатку комплементарні ланцюги під впливом спеціальних ферментів, що руйнують парні нуклеотиди, розходяться, а потім у кожній з них починається синтез недостатнього ланцюга. Це відбувається за рахунок наявних у великій кількості в кожній клітині вільних нуклеотидів. В результаті цього замість «материнської молекули» формуються дві «дочірні», ідентичні за складом та структурою, і ДНК-код стає вихідним. Цей процес є попередником клітинного поділу. Він забезпечує передачу всіх спадкових даних від материнських клітин дочірнім, а також усім наступним поколінням.

Як читається генний код?

Сьогодні обчислюється як маса молекули ДНК - можна дізнатися і складніші, раніше не доступні вченим дані. Наприклад, можна прочитати інформацію про те, як організм використовує власну клітину. Звичайно, спочатку ці дані знаходяться в закодованому вигляді і мають вигляд певної матриці, а тому її потрібно транспортувати на спеціальний носій, яким виступає РНК. Рибонуклеїновій кислоті під силу проникати в клітину через мембрану ядра і вже всередині зчитувати закодовану інформацію. Таким чином, РНК - це переносник прихованих даних з ядра в клітину, і вона відрізняється від ДНК тим, що до її складу замість дезоксирибози входить рибоза, а замість тиміну - урацил. Крім того, РНК одноланцюгова.

Синтез РНК

Глибокий аналіз ДНК показав, що після того, як РНК залишає ядро, вона потрапляє в цитоплазму, де і може бути вбудована як матриця в рибосоми (спеціальні ферментні системи). Керуючись отриманою інформацією, вони можуть синтезувати послідовність білкових амінокислот. Про те, який саме різновид органічної сполуки необхідно приєднати до білкового ланцюга, що формується, рибосома дізнається з триплетного коду. Кожній амінокислоті відповідає свій певний триплет, який її кодує.

Після того як формування ланцюжка завершено, вона набуває конкретної просторової форми і перетворюється на білок, здатний здійснювати свої гормональні, будівельні, ферментні та інші функції. Для будь-якого організму він є генним продуктом. Саме з нього визначаються всілякі якості, властивості та прояви генів.

Гени

Насамперед процеси секвенування розроблялися з метою отримання інформації про те, скільки генів має структура молекули ДНК. І, хоча дослідження дозволили вченим далеко просунутися в цьому питанні, дізнатися точну їх кількість поки що неможливо.

Ще кілька років тому передбачалося, що молекули ДНК містять приблизно 100 тис. генів. Трохи згодом цифра зменшилася до 80 тисяч, а в 1998 р. генетиками було заявлено, що в одній ДНК є тільки 50 тисяч генів, які є лише 3% всієї довжини ДНК. Але вразили останні висновки генетиків. Тепер вони стверджують, що геном входить 25-40 тисяч згаданих одиниць. Виходить, що за кодування білків відповідає лише 1,5% хромосомної ДНК.

У цьому дослідження не припинилися. Паралельна команда фахівців генної інженерії встановила, що чисельність генів в одній молекулі становить 32 тисячі. Як бачите, отримати остаточну відповідь поки що неможливо. Занадто багато суперечностей. Усі дослідники спираються лише з свої отримані результати.

Чи було еволюціонування?

Незважаючи на те, що немає жодних доказів еволюції молекули (оскільки будова молекули ДНК крихка і має малий розмір), все ж таки вченими було висловлено одне припущення. Виходячи з лабораторних даних, вони озвучили версію наступного змісту: молекула на початковому етапі своєї появи мала вигляд простого самовідтворюваного пептиду, до складу якого входило до 32 амінокислот, що містяться в древніх океанах.

Після самореплікації завдяки силам природного відбору у молекул з'явилася здатність захищати себе від впливу зовнішніх елементів. Вони стали довше жити та відтворюватися у великих кількостях. Молекули, що знайшли себе у ліпідному міхурі, отримали всі шанси для відтворення. В результаті низки послідовних циклів ліпідні бульбашки набули форми клітинних мембран, а вже далі - всім відомих частинок. Слід зазначити, що сьогодні будь-яка ділянка молекули ДНК є складною і чітко функціонуючою структурою, всі особливості якої вченими до кінця ще не вивчені.

Сучасний світ

Нещодавно вчені з Ізраїлю розробили комп'ютер, якому під силу виконувати трильйони операцій на секунду. Сьогодні це найшвидша машина Землі. Весь секрет у тому, що інноваційний пристрій функціонує від ДНК. Професори кажуть, що у найближчій перспективі такі комп'ютери зможуть навіть виробляти енергію.

Фахівці з інституту Вейцмана в Реховоті (Ізраїль) рік тому заявили про створення програмованої молекулярної обчислювальної машини, що складається з молекул та ферментів. Ними вони замінили мікрочіпи із кремнію. На цей час команда ще просунулася вперед. Тепер забезпечити комп'ютер необхідними даними та надати потрібне паливо може лише одна молекула ДНК.

Біохімічні «нанокомп'ютери» - це не вигадка, вони вже існують у природі і виявлені в кожній живій істоті. Але часто вони не керуються людьми. Людина поки що не може оперувати геном якоїсь рослини, щоб розрахувати, скажімо, число «Пі».

Ідея про використання ДНК для зберігання/обробки даних уперше відвідала світлі голови вчених у 1994 році. Саме тоді для вирішення простого математичного завдання було задіяно молекулу. З того моменту низка дослідницьких груп запропонувала різні проекти, що стосуються ДНК-комп'ютерів. Але тут усі спроби ґрунтувалися лише на енергетичній молекулі. Неозброєним оком такий комп'ютер не побачиш, він має вигляд прозорого розчину води в пробірці. У ньому немає жодних механічних деталей, а лише трильйони біомолекулярних пристроїв – і це лише в одній краплі рідини!

ДНК людини

Який вигляд має ДНК людини, людям стало відомо в 1953 році, коли вчені вперше змогли продемонструвати світу дволанцюгову модель ДНК. За це Кірк і Вотсон отримали Нобелівську премію, оскільки це відкриття стало фундаментальним у 20 столітті.

Згодом, звичайно, довели, що не тільки так, як у запропонованому варіанті, може виглядати структурована молекула людини. Провівши більш детальний аналіз ДНК, відкрили А-, В-і лівозакручену форму Z-. Форма А-часто є винятком, тому що утворюється лише в тому випадку, якщо спостерігається недостатність вологи. Але це можливо хіба що за лабораторних досліджень, для природного середовища це аномально, в живій клітині такий процес відбуватися не може.

Форма В- є класичною і відома як подвійний правозакручений ланцюг, а ось форма Z- не тільки закручена у зворотному напрямку, вліво, але також має більш зигзагоподібний вигляд. Вченими виділено ще й форму G-квадруплекс. У її структурі не 2, а 4 нитки. На думку генетиків, виникає така форма на тих ділянках, де є надмірна кількість гуаніну.

Штучна ДНК

Сьогодні вже існує штучна ДНК, що є ідентичною справжньою копією; вона ідеально повторює структуру природної подвійної спіралі. Але, на відміну від первозданного полінуклеотиду, у штучному - лише два додаткові нуклеотиди.

Оскільки дубляж створювався з урахуванням інформації, отриманої під час різних досліджень цієї ДНК, він також може копіюватися, самовідтворюватися і еволюціонувати. Над створенням такої штучної молекули спеціалісти працювали близько 20 років. В результаті вийшов дивовижний винахід, який може користуватися генетичним кодом так само, як і природна ДНК.

До чотирьох наявних азотистих основ генетики додали додаткові дві, які створили методом хімічної модифікації природних основ. На відміну від природної, штучна ДНК вийшла досить короткою. Вона містить лише 81 пару підстав. Проте вона також розмножується та еволюціонує.

Реплікація молекули, отриманої штучним шляхом, має місце завдяки полімеразної ланцюгової реакції, але поки що це відбувається не самостійно, а через втручання вчених. У згадану ДНК вони самостійно додають необхідні ферменти, поміщаючи її у спеціально підготовлене рідке середовище.

Кінцевий результат

На процес і кінцевий результат розвитку ДНК можуть проводити різні чинники, наприклад мутації. Це зумовлює обов'язкове вивчення зразків матерії, щоб результат аналізів був достовірним та надійним. Як приклад можна навести тест на батьківство. Але не може не тішити, що такі казуси, як мутація, трапляються рідко. Проте зразки матерії завжди перевіряють ще раз, щоб на основі аналізу отримати більш точну інформацію.

ДНК рослин

Завдяки високим технологіям секвенування (HTS) здійснена революція і в галузі геноміки - виділення ДНК із рослин також можливе. Звичайно, одержання з рослинного матеріалу молекулярної маси ДНК високої якості викликає деякі труднощі, зумовлені великою кількістю копій мітохондрій та хлоропластів ДНК, а також високим рівнем полісахаридів та фенольних сполук. Для виділення аналізованої нами структури в цьому випадку задіяні різні методи.

Водневий зв'язок у ДНК

За водневий зв'язок молекулі ДНК відповідає електромагнітне тяжіння, створюване між позитивно зарядженим атомом водню, який приєднаний до електронегативного атома. Ця дипольна взаємодія не підпадає під критерій хімічного зв'язку. Але може здійснитися міжмолекулярно чи різних частинах молекули, т. е. внутримолекулярно.

Атом водню приєднується до електронегативного атома, що є донором цього зв'язку. Електронегативним атомом може бути азот, фтор, кисень. Він – шляхом децентралізації – приваблює до себе електронну хмару з водневого ядра і робить атом водню зарядженим (частково) позитивно. Оскільки розмір Н невеликий, проти іншими молекулами і атомами, заряд виходить також малим.

Розшифровка ДНК

Перш ніж розшифрувати молекулу ДНК, вчені спочатку беруть величезну кількість клітин. Для найточнішої та найуспішнішої роботи їх необхідно близько мільйона. Отримані у процесі вивчення результати постійно порівнюють та фіксують. Сьогодні розшифровка геному – це вже не рідкість, а доступна процедура.

Звичайно, розшифровувати геном однієї клітини – це недоцільне заняття. Отримані в ході таких досліджень дані для вчених не становлять жодного інтересу. Але важливо розуміти, що всі існуючі на даний момент методи декодування, незважаючи на їхню складність, недостатньо ефективні. Вони дозволять зчитувати лише 40-70% ДНК.

Проте гарвардські професори нещодавно заявили про спосіб, завдяки якому можна розшифрувати 90% геному. Методика заснована на додаванні до виділених клітин молекул-праймерів, за допомогою них починається реплікація ДНК. Але навіть цей метод не можна вважати успішним, його ще потрібно доопрацювати, перш ніж відкрито використовувати в науці.

Дезоксирибонуклеїнова кислота, або ДНК - це будівельна цеглина життя, код біологічної пам'яті, який забезпечує передачу генетичних даних з покоління в покоління протягом усієї еволюції живих істот. ДНК виконана у формі подвійної спіралі, а також містить інформацію про структуру різних видів РНК та білків. Хімічно ДНК - це довга полімерна молекула, що складається з блоків нуклеотидів, що повторюються. Однак з біологічної точки зору ДНК - це ключ до розуміння життя на найтоншому рівні, вихід до експериментів над геномом, які дозволяє розшифровувати код ДНА і майбутнє людства як незалежного від природної еволюції класу істот. За розшифровку структури ДНК у 1953 році троє вчених отримали Нобелівську премію з фізіології та медицини 1962 року.

Не дуже хочеться розчаровувати тих, хто вірить у реальність Нессі (так часто називають чудовисько, що нібито мешкає в озері Лох-Несс у Шотландії), однак, зі всіх існуючих версій про те, хто ж таки мешкає в глибинах Лох-Несс, ця звучить найправдоподібніше. Звісно, ​​зі 100% упевненістю заявити про те, що Нессі — це вугор, вчені не можуть, однак у них з'явилися вагомі підстави так думати. Отже, швидше за все, Нессі виявиться нічим іншим, як повторенням історії про обличчя. Пам'ятаєте? Що тільки про нього не говорили, а пізніше з'ясувалося, що знамените обличчя є нічим іншим, як творчістю марсіанського вітру, води та буйної людської уяви.

Вчені з різних куточків світу намагаються стерти межу між штучними та живими організмами, щоб зрештою створити роботів, здатних до самостійного твору собі подібних. Перший крок до цього нещодавно був зроблений дослідниками з Корнельського університету – вони створили біологічний матеріал, що демонструє три ключові властивості живих організмів: самоорганізацію, здатність до обміну речовин та розвиток.



 

Можливо, буде корисно почитати: