Objav genetickej úlohy DNA
DNA objavil Johann Friedrich Miescher v roku 1869. Zo zvyškov buniek obsiahnutých v hnise izoloval látku, ktorá zahŕňa dusík a fosfor. Nukleovú kyselinu bez proteínov prvýkrát získal R. Altman v roku 1889, ktorý tento termín zaviedol do biochémie. Až v polovici 30. rokov 20. storočia sa dokázalo, že DNA a RNA obsahuje každá živá bunka. A. N. Belozersky, ktorý ako prvý izoloval DNA z rastlín, zohral prvoradú úlohu pri nastolení tohto základného postavenia. Postupne sa dokázalo, že nositeľom genetickej informácie je DNA, a nie proteíny, ako sa doteraz predpokladalo. O. Everinovi, Colinovi McLeodovi a McLeanovi McCarthymu (1944) sa podarilo preukázať, že DNA izolovaná z pneumokokov je zodpovedná za takzvanú transformáciu (získanie patogénnych vlastností neškodnou kultúrou v dôsledku pridania mŕtvych patogénnych baktérií do nej). Experiment amerických vedcov (experiment Hershey-Chase, 1952) s rádioaktívne značenými proteínmi a DNA bakteriofágov ukázal, že do infikovanej bunky sa prenáša iba nukleová kyselina fága a nová generácia fágu obsahuje rovnaké proteíny a nukleová kyselina ako pôvodný fág.Do 50. rokov 20. storočia zostala presná štruktúra DNA, ako aj spôsob prenosu dedičnej informácie neznámy. Hoci sa s istotou vedelo, že DNA sa skladá z niekoľkých reťazcov nukleotidov, nikto presne nevedel, koľko reťazcov tam je a ako sú spojené. Štruktúru dvojitej špirály DNA navrhli Francis Crick a James Watson v roku 1953 na základe na röntgenových snímkach Mauricea Wilkinsa a Rosalind Franklinovej a „Chargaffových pravidiel“, podľa ktorých sa v každej molekule DNA dodržiavajú prísne pomery, spájajúce množstvo dusíkatých báz rôznych typov. Neskôr bol potvrdený model štruktúry DNA navrhnutý Watsonom a Crickom a ich práca bola ocenená Nobelovou cenou za fyziológiu a medicínu v roku 1962. Rosalind Franklin, ktorá v tom čase zomrela, nebola medzi laureátmi, pretože cena nie je ocenený posmrtne.V roku 1960 bol v niekoľkých laboratóriách naraz objavený enzým RNA polymeráza, ktorý syntetizuje RNA na templátoch DNA. Genetický kód aminokyselín bol úplne dešifrovaný v rokoch 1961-1966. úsilím laboratórií M. Nirenberga, S. Ochoa a G. Korana.
Chemické zloženie a štruktúrna organizácia molekuly DNA.
DNA je deoxyribonukleová kyselina. Molekula DNA je najväčší biopolymér, ktorého monomérom je nukleotid. Nukleotid pozostáva zo zvyškov 3 látok: 1 - dusíkatá báza; 2 - deoxyribózové sacharidy; 3 - kyselina fosforečná (obrázok - štruktúra nukleotidu). Nukleotidy podieľajúce sa na tvorbe molekuly DNA sa navzájom líšia v dusíkatých bázach. Dusíkaté zásady: 1 - Cytozín a tymín (deriváty pyrimidínu) a 2 - adenín a guanín (deriváty purínu). K spojeniu nukleotidov vo vlákne DNA dochádza cez sacharid jedného nukleotidu a zvyšok kyseliny fosforečnej susedného (obrázok - štruktúra polynukleotidového reťazca). Chargaffovo pravidlo (1951): počet purínových báz v DNA sa vždy rovná počtu pyrimidínových báz, A=T G=C.
1953 J. Watson a F. Crick - Prezentovali model štruktúry molekuly DNA (Obrázok - štruktúra molekuly DNA).
Primárna štruktúra- postupnosť usporiadania monomérnych jednotiek (mononukleotidov) v lineárnych polyméroch. Reťazec je stabilizovaný 3,5-fosfodiesterovými väzbami. sekundárna štruktúra- dvojitá špirála, ktorej vznik určujú internukleotidové vodíkové väzby, ktoré vznikajú medzi bázami zaradenými do kanonických párov A-T (2 vodíkové väzby) a G-C (3 vodíkové väzby). Reťazce sú držané pohromade pomocou stohovacích interakcií, elektrostatických interakcií, van der Waalsových interakcií. Terciárna štruktúra je všeobecný tvar molekúl biopolymérov. Superhelikálna štruktúra - keď uzavretá dvojzávitnica netvorí prstenec, ale štruktúru so závitmi vyššieho rádu (zabezpečuje kompaktnosť). Kvartérna štruktúra– balenie molekúl do polymolekulových celkov. Pre nukleové kyseliny sú to súbory, ktoré zahŕňajú proteínové molekuly.
Štruktúra a funkcie DNA
| Názov parametra | Význam |
| Predmet článku: | Štruktúra a funkcie DNA |
| Rubrika (tematická kategória) | Vzdelávanie |
DNA- polymér, ktorého monoméry sú deoxyribonukleotidy. Model priestorovej štruktúry molekuly DNA vo forme dvojitej špirály bol navrhnutý v roku 1953 ᴦ. J. Watson a F. Crick (na stavbu tohto modelu použili prácu M. Wilkinsa, R. Franklina, E. Chargaffa).
molekula DNA tvorené dvoma polynukleotidovými reťazcami, špirálovito stočenými okolo seba a spolu okolo pomyselnej osi, ᴛ.ᴇ. je dvojitá špirála (výnimka – niektoré vírusy obsahujúce DNA majú jednovláknovú DNA). Priemer dvojitej špirály DNA je 2 nm, vzdialenosť medzi susednými nukleotidmi je 0,34 nm a na jednu otáčku špirály pripadá 10 párov báz. Dĺžka molekuly môže dosiahnuť niekoľko centimetrov. Molekulová hmotnosť - desiatky a stovky miliónov. Celková dĺžka DNA v ľudskom bunkovom jadre je asi 2 m.V eukaryotických bunkách tvorí DNA komplexy s proteínmi a má špecifickú priestorovú konformáciu.
DNA monomér - nukleotid (deoxyribonukleotid)- pozostáva zo zvyškov troch látok: 1) dusíkatej zásady, 2) päťuhlíkového monosacharidu (pentózy) a 3) kyseliny fosforečnej. Dusíkaté zásady nukleových kyselín patria do tried pyrimidínov a purínov. Pyrimidínové bázy DNA(majú jeden kruh v molekule) - tymín, cytozín. Purínové základy(majú dva kruhy) - adenín a guanín.
Monosacharid nukleotidu DNA je reprezentovaný deoxyribózou.
Názov nukleotidu je odvodený od názvu zodpovedajúcej bázy. Nukleotidy a dusíkaté bázy sú označené veľkými písmenami.
Polynukleotidový reťazec vzniká ako výsledok nukleotidových kondenzačných reakcií. V tomto prípade medzi 3"-uhlíkom deoxyribózového zvyšku jedného nukleotidu a zvyškom kyseliny fosforečnej druhého, fosfoéterová väzba(patrí do kategórie silných kovalentných väzieb). Jeden koniec polynukleotidového reťazca končí 5" uhlíkom (nazýva sa to 5" koniec), druhý končí 3" uhlíkovým (3" koncom).
Proti jednému reťazcu nukleotidov je druhý reťazec. Usporiadanie nukleotidov v týchto dvoch reťazcoch nie je náhodné, ale striktne definované: tymín je vždy umiestnený proti adenínu jedného reťazca v druhom reťazci a cytozín je vždy proti guanínu, medzi adenínom a tymínom vznikajú dve vodíkové väzby, medzi guanínom a cytozínom - tri vodíkové väzby. Vzor, podľa ktorého sú nukleotidy rôznych reťazcov DNA usporiadané striktne usporiadaným spôsobom (adenín - tymín, guanín - cytozín) a sú navzájom selektívne spojené, sa bežne nazýva princíp komplementarity. Treba poznamenať, že J. Watson a F. Crick pochopili princíp komplementarity po prečítaní diel E. Chargaffa. E. Chargaff po preštudovaní obrovského množstva vzoriek tkanív a orgánov rôznych organizmov zistil, že v akomkoľvek fragmente DNA obsah guanínových zvyškov vždy presne zodpovedá obsahu cytozínu a adenínu tymínu ( „Pravidlo Chargaffa“.), ale túto skutočnosť nevedel vysvetliť.
Z princípu komplementarity vyplýva, že nukleotidová sekvencia jedného reťazca určuje nukleotidovú sekvenciu iného reťazca.
Reťazce DNA sú antiparalelné (opačné), ᴛ.ᴇ. nukleotidy rôznych reťazcov sú umiestnené v opačných smeroch, a preto oproti 3 "koncu jedného reťazca je 5" koniec druhého. Molekula DNA sa niekedy prirovnáva k točitému schodisku. „Zábradlie“ tohto rebríčka je cukor-fosfátová kostra (striedajúce sa zvyšky deoxyribózy a kyseliny fosforečnej); ʼʼkrokyʼʼ - doplnkové dusíkaté bázy.
Funkcia DNA- uchovávanie a prenos dedičných informácií.
Štruktúra a funkcie DNA - pojem a typy. Klasifikácia a vlastnosti kategórie "Štruktúra a funkcie DNA" 2017, 2018.
Vpravo je najväčšia ľudská špirála DNA postavená z ľudí na pláži vo Varne (Bulharsko), ktorá bola 23. apríla 2016 zapísaná do Guinessovej knihy rekordov.
Deoxyribonukleová kyselina. Všeobecné informácie
DNA (deoxyribonukleová kyselina) je akýmsi plánom života, zložitým kódom, ktorý obsahuje údaje o dedičnej informácii. Táto komplexná makromolekula je schopná uchovávať a prenášať dedičnú genetickú informáciu z generácie na generáciu. DNA určuje také vlastnosti akéhokoľvek živého organizmu, ako je dedičnosť a variabilita. Informácie v ňom zakódované určujú celý vývojový program každého živého organizmu. Geneticky vložené faktory predurčujú celý priebeh života človeka aj akéhokoľvek iného organizmu. Umelé alebo prirodzené ovplyvňovanie vonkajšieho prostredia môže len nepatrne ovplyvniť celkovú závažnosť jednotlivých genetických vlastností alebo ovplyvniť vývoj naprogramovaných procesov.
Deoxyribonukleová kyselina(DNA) je makromolekula (jedna z troch hlavných, ďalšie dve sú RNA a proteíny), ktorá zabezpečuje ukladanie, prenos z generácie na generáciu a realizáciu genetického programu pre vývoj a fungovanie živých organizmov. DNA obsahuje informácie o štruktúre rôznych typov RNA a proteínov.
V eukaryotických bunkách (živočíchy, rastliny a huby) sa DNA nachádza v bunkovom jadre ako súčasť chromozómov, ako aj v niektorých bunkových organelách (mitochondrie a plastidy). V bunkách prokaryotických organizmov (baktérií a archeí) je zvnútra k bunkovej membráne pripojená kruhová alebo lineárna molekula DNA, takzvaný nukleoid. Oni a nižšie eukaryoty (napríklad kvasinky) majú tiež malé autonómne, väčšinou kruhové molekuly DNA nazývané plazmidy.
Z chemického hľadiska je DNA dlhá polymérna molekula pozostávajúca z opakujúcich sa blokov – nukleotidov. Každý nukleotid sa skladá z dusíkatej bázy, cukru (deoxyribózy) a fosfátovej skupiny. Väzby medzi nukleotidmi v reťazci sú tvorené deoxyribózou ( OD) a fosfát ( F) skupiny (fosfodiesterové väzby).
Ryža. 2. Nuklertid pozostáva z dusíkatej bázy, cukru (deoxyribózy) a fosfátovej skupiny
V drvivej väčšine prípadov (okrem niektorých vírusov obsahujúcich jednovláknovú DNA) pozostáva makromolekula DNA z dvoch reťazcov orientovaných navzájom dusíkatými bázami. Táto dvojvláknová molekula je stočená do špirály.
V DNA sa nachádzajú štyri typy dusíkatých báz (adenín, guanín, tymín a cytozín). Dusíkaté bázy jedného z reťazcov sú spojené s dusíkatými bázami druhého reťazca vodíkovými väzbami podľa princípu komplementarity: adenín sa spája iba s tymínom ( A-T), guanín - len s cytozínom ( G-C). Práve tieto páry tvoria „priečky“ špirálovitého „rebríka“ DNA (pozri: Obr. 2, 3 a 4).
Ryža. 2. Dusíkaté zásady
Sekvencia nukleotidov umožňuje „zakódovať“ informácie o rôznych typoch RNA, z ktorých najdôležitejšie sú informácie alebo templát (mRNA), ribozomálne (rRNA) a transportné (tRNA). Všetky tieto typy RNA sa syntetizujú na templáte DNA skopírovaním sekvencie DNA do sekvencie RNA syntetizovanej počas transkripcie a zúčastňujú sa biosyntézy proteínov (proces translácie). Okrem kódujúcich sekvencií obsahuje bunková DNA sekvencie, ktoré vykonávajú regulačné a štrukturálne funkcie.
Ryža. 3. replikácia DNA
Umiestnenie základných kombinácií chemických zlúčenín DNA a kvantitatívne pomery medzi týmito kombináciami poskytujú kódovanie dedičnej informácie.
Vzdelávanie nová DNA (replikácia)
- Proces replikácie: odvíjanie dvojzávitnice DNA - syntéza komplementárnych reťazcov DNA polymerázou - vznik dvoch molekúl DNA z jednej.
- Dvojitá špirála sa „rozbalí“ na dve vetvy, keď enzýmy prerušia väzbu medzi pármi báz chemických zlúčenín.
- Každá vetva je novým prvkom DNA. Nové páry báz sú spojené v rovnakej sekvencii ako v rodičovskej vetve.
Po dokončení duplikácie sa vytvoria dva nezávislé helixy, vytvorené z chemických zlúčenín rodičovskej DNA, ktoré majú rovnaký genetický kód. Týmto spôsobom je DNA schopná pretrhnúť informácie z bunky do bunky.
Podrobnejšie informácie:
ŠTRUKTÚRA NUKLEOVÝCH KYSELÍN
Ryža. štyri . Dusíkaté zásady: adenín, guanín, cytozín, tymín
Deoxyribonukleová kyselina(DNA) označuje nukleové kyseliny. Nukleové kyseliny je trieda nepravidelných biopolymérov, ktorých monoméry sú nukleotidy.
NUKLEOTIDY skladá sa z dusíkatej báze, spojený s päťuhlíkovým sacharidom (pentózou) - deoxyribóza(v prípade DNA) príp ribóza(v prípade RNA), ktorý sa spája so zvyškom kyseliny fosforečnej (H 2 PO 3 -).
Dusíkaté zásady Existujú dva typy: pyrimidínové zásady - uracil (len v RNA), cytozín a tymín, purínové zásady - adenín a guanín.
Ryža. 5. Štruktúra nukleotidov (vľavo), umiestnenie nukleotidu v DNA (dole) a typy dusíkatých báz (vpravo): pyrimidín a purín Obr.
Atómy uhlíka v molekule pentózy sú očíslované od 1 do 5. Fosfát sa spája s tretím a piatym atómom uhlíka. Takto sú nukleové kyseliny spojené a vytvárajú reťazec nukleových kyselín. Takto môžeme izolovať 3' a 5' konce reťazca DNA:
Ryža. 6. Izolácia 3' a 5' konca reťazca DNA
Vytvárajú sa dve vlákna DNA Dvojitý helix. Tieto reťazce v špirále sú orientované v opačných smeroch. V rôznych vláknach DNA sú dusíkaté bázy navzájom spojené pomocou vodíkové väzby. Adenín sa vždy spája s tymínom a cytozín sa vždy spája s guanínom. To sa nazýva pravidlo komplementarity.
Pravidlo komplementárnosti:
| A-T G-C |
Napríklad, ak dostaneme reťazec DNA, ktorý má sekvenciu
3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',
potom bude druhý reťazec k nemu doplnkový a bude smerovať opačným smerom - od 5'-konca k 3'-koncu:
5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.
Ryža. 7. Smer reťazcov molekuly DNA a spojenie dusíkatých báz pomocou vodíkových väzieb
REPLIKÁCIA DNA
replikácia DNA je proces zdvojenia molekuly DNA syntézou templátu. Vo väčšine prípadov prirodzenej replikácie DNAprimerpre syntézu DNA je krátky úryvok (vytvorené znova). Takýto ribonukleotidový primér je vytvorený enzýmom primáza (DNA primáza u prokaryotov, DNA polymeráza u eukaryotov) a následne nahradený deoxyribonukleotidovou polymerázou, ktorá normálne vykonáva reparačné funkcie (opravuje chemické poškodenie a zlomy v molekule DNA).
Replikácia prebieha polokonzervatívnym spôsobom. To znamená, že dvojitá špirála DNA sa rozvinie a na každom z jej reťazcov sa dokončuje nový reťazec podľa princípu komplementarity. Dcérska molekula DNA teda obsahuje jedno vlákno z rodičovskej molekuly a jedno novosyntetizované. Replikácia prebieha v smere od 3' do 5' materského vlákna.
Ryža. 8. Replikácia (zdvojenie) molekuly DNA
syntéza DNA- nejde o taký zložitý proces, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Ak o tom premýšľate, musíte najprv zistiť, čo je syntéza. Je to proces spájania niečoho. Tvorba novej molekuly DNA prebieha v niekoľkých fázach:
1) DNA topoizomeráza, umiestnená pred replikačnou vidličkou, štiepi DNA, aby sa uľahčilo jej odvíjanie a odvíjanie.
2) DNA helikáza, ktorá nasleduje po topoizomeráze, ovplyvňuje proces „rozvíjania“ špirály DNA.
3) Proteíny viažuce DNA vykonávajú väzbu reťazcov DNA a tiež vykonávajú ich stabilizáciu, čím bránia ich vzájomnému zlepeniu.
4) DNA polymeráza 5(delta) , koordinovaný s rýchlosťou pohybu replikačnej vidlice, vykonáva syntézuvedeniereťaze dcérska spoločnosť DNA v smere 5" → 3" na matrici materská reťazcov DNA v smere od jej 3" konca po 5" koniec (rýchlosť až 100 párov báz za sekundu). Tieto udalosti o tomto materská reťazce DNA sú obmedzené.
Ryža. 9. Schematické znázornenie procesu replikácie DNA: (1) Lagging reťazec (lag reťazec), (2) Vedúci reťazec (vedúci reťazec), (3) DNA polymeráza α (Pola), (4) DNA ligáza, (5) RNA -primér, (6) Primáza, (7) Okazakiho fragment, (8) DNA polymeráza δ (Polδ ), (9) Helikáza, (10) Jednovláknové proteíny viažuce DNA, (11) Topoizomeráza.
Syntéza zaostávajúceho dcérskeho reťazca DNA je opísaná nižšie (pozri nižšie). schémy replikačná vidlica a funkcia replikačných enzýmov)
Viac informácií o replikácii DNA nájdete na
5) Ihneď po rozvinutí a stabilizácii ďalšieho vlákna materskej molekuly sa spojíDNA polymeráza α(alfa)a v smere 5 "→3" syntetizuje primer (RNA primer) - sekvenciu RNA na templáte DNA s dĺžkou 10 až 200 nukleotidov. Potom enzýmodstránené z reťazca DNA.
Namiesto DNA polymerázaα
pripevnený k 3" koncu základného náteru DNA polymerázaε
.
6)
DNA polymerázaε
(epsilon) ako by pokračovalo v predlžovaní základného náteru, ale ako podklad sa vložídeoxyribonukleotidy(v množstve 150-200 nukleotidov). Výsledkom je pevná niť z dvoch častí -RNA(t.j. základný náter) a DNA.
DNA polymeráza εfunguje, kým nenarazí na základný náter predchádzajúcehofragment Okazaki(syntetizované o niečo skôr). Tento enzým sa potom z reťazca odstráni.
7) DNA polymeráza β(beta) stojí na miesteDNA polymerázy ε,sa pohybuje rovnakým smerom (5" → 3") a odstraňuje primérové ribonukleotidy, pričom na ich miesto vkladá deoxyribonukleotidy. Enzým pôsobí až do úplného odstránenia základného náteru, t.j. až po deoxyribonukleotid (ešte viac predtým syntetizovaných).DNA polymeráza ε). Enzým nie je schopný prepojiť výsledok svojej práce a DNA vpredu, preto opúšťa reťazec.
Výsledkom je, že fragment dcérskej DNA "leží" na matrici materského vlákna. To sa nazývafragment Okazaki.
8) DNA ligáza liguje dve susedné fragmenty Okazaki , t.j. 5 "-koniec segmentu, syntetizovanýDNA polymeráza ε,a vstavaný 3" koniec reťazeDNA polymerázaβ .
ŠTRUKTÚRA RNA
Ribonukleová kyselina(RNA) je jednou z troch hlavných makromolekúl (ďalšie dve sú DNA a proteíny), ktoré sa nachádzajú v bunkách všetkých živých organizmov.
Rovnako ako DNA, RNA sa skladá z dlhého reťazca, v ktorom je každý článok nazývaný nukleotid. Každý nukleotid sa skladá z dusíkatej bázy, ribózového cukru a fosfátovej skupiny. Avšak na rozdiel od DNA má RNA zvyčajne skôr jeden ako dva vlákna. Pentóza v RNA je reprezentovaná ribózou, nie deoxyribózou (ribóza má ďalšiu hydroxylovú skupinu na druhom atóme uhľohydrátu). Nakoniec sa DNA líši od RNA v zložení dusíkatých báz: namiesto tymínu ( T) uracil je prítomný v RNA ( U) , ktorý je tiež komplementárny k adenínu.
Sekvencia nukleotidov umožňuje RNA kódovať genetickú informáciu. Všetky bunkové organizmy používajú RNA (mRNA) na programovanie syntézy bielkovín.
Bunkové RNA sa tvoria v procese tzv prepis , teda syntéza RNA na templáte DNA, uskutočňovaná špeciálnymi enzýmami - RNA polymerázy.
Messenger RNA (mRNA) sa potom zúčastňujú procesu tzv vysielať, tie. syntéza proteínov na templáte mRNA za účasti ribozómov. Ostatné RNA po transkripcii prechádzajú chemickými úpravami a po vytvorení sekundárnych a terciárnych štruktúr vykonávajú funkcie, ktoré závisia od typu RNA.
Ryža. 10. Rozdiel medzi DNA a RNA z hľadiska dusíkatej bázy: namiesto tymínu (T) obsahuje RNA uracil (U), ktorý je tiež komplementárny k adenínu.
PREPIS
Toto je proces syntézy RNA na templáte DNA. DNA sa odvíja na jednom z miest. Jeden z reťazcov obsahuje informácie, ktoré je potrebné skopírovať do molekuly RNA – tento reťazec sa nazýva kódovanie. Druhé vlákno DNA, ktoré je komplementárne ku kódovaciemu vláknu, sa nazýva templátové vlákno. V procese transkripcie na templátovom reťazci v smere 3'-5' (pozdĺž reťazca DNA) sa syntetizuje k nemu komplementárny reťazec RNA. Tak sa vytvorí kópia RNA kódujúceho vlákna.
Ryža. 11. Schematické znázornenie transkripcie
Napríklad, ak dostaneme sekvenciu kódujúceho reťazca
3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',
potom, podľa pravidla komplementarity, matricový reťazec ponesie sekvenciu
5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',
a z nej syntetizovaná RNA je sekvencia
VYSIELAŤ
Zvážte mechanizmus Syntézy bielkovín na matricu RNA, ako aj genetický kód a jeho vlastnosti. Kvôli prehľadnosti na nižšie uvedenom odkaze tiež odporúčame pozrieť si krátke video o procesoch transkripcie a prekladu prebiehajúcich v živej bunke:
Ryža. 12. Proces syntézy bielkovín: DNA kóduje RNA, RNA kóduje proteín
GENETICKÝ KÓD
Genetický kód- spôsob kódovania aminokyselinovej sekvencie proteínov pomocou sekvencie nukleotidov. Každá aminokyselina je kódovaná sekvenciou troch nukleotidov – kodónom alebo tripletom.
Genetický kód spoločný pre väčšinu pro- a eukaryotov. Tabuľka uvádza všetkých 64 kodónov a zoznam zodpovedajúcich aminokyselín. Poradie báz je od 5" do 3" konca mRNA.
Tabuľka 1. Štandardný genetický kód
|
1 nie |
2. základ |
3 nie |
|||||||
|
U |
C |
A |
G |
||||||
|
U |
U U U |
(Phe/F) |
U C U |
(Ser/S) |
U A U |
(Tyr/Y) |
U G U |
(Cys/C) |
U |
|
U U C |
U C C |
U A C |
U G C |
C |
|||||
|
U U A |
(Leu/L) |
U C A |
U A A |
Stop kodón** |
U G A |
Stop kodón** |
A |
||
|
U U G |
U C G |
U A G |
Stop kodón** |
U G G |
(Trp/W) |
G |
|||
|
C |
C U U |
C C U |
(Pro/P) |
C A U |
(Jeho/H) |
C G U |
(Arg/R) |
U |
|
|
C U C |
C C C |
C A C |
C G C |
C |
|||||
|
C U A |
C C A |
C A A |
(Gln/Q) |
CGA |
A |
||||
|
C U G |
C C G |
C A G |
C G G |
G |
|||||
|
A |
A U U |
(Ile/I) |
A C U |
(Thr/T) |
A A U |
(Asn/N) |
A G U |
(Ser/S) |
U |
|
A U C |
A C C |
A A C |
A G C |
C |
|||||
|
A U A |
A C A |
A A A |
(Lys/K) |
A G A |
A |
||||
|
A U G |
(Splnené/M) |
A C G |
A A G |
A G G |
G |
||||
|
G |
G U U |
(Val/V) |
G C U |
(Ala/A) |
G A U |
(Asp/D) |
G G U |
(Gly/G) |
U |
|
G U C |
G C C |
G A C |
G G C |
C |
|||||
|
G U A |
G C A |
G A A |
(Glu/E) |
G G A |
A |
||||
|
G U G |
G C G |
G A G |
G G G |
G |
|||||
Medzi trojicami sú 4 špeciálne sekvencie, ktoré fungujú ako „interpunkčné znamienka“:
- *Trojička AUG, tiež kódujúci metionín, sa nazýva štartovací kodón. Tento kodón začína syntézu molekuly proteínu. Počas syntézy bielkovín bude teda prvou aminokyselinou v sekvencii vždy metionín.
- **Trojčatá UAA, UAG a UGA volal stop kodóny a nekódujú žiadne aminokyseliny. V týchto sekvenciách sa syntéza bielkovín zastaví.
Vlastnosti genetického kódu
1. Trojpočetnosť. Každá aminokyselina je kódovaná sekvenciou troch nukleotidov – triplet alebo kodón.
2. Kontinuita. Medzi tripletmi nie sú žiadne ďalšie nukleotidy, informácie sa čítajú nepretržite.
3. Neprekrývajúce sa. Jeden nukleotid nemôže byť súčasťou dvoch tripletov súčasne.
4. Jedinečnosť. Jeden kodón môže kódovať iba jednu aminokyselinu.
5. Degenerácia. Jedna aminokyselina môže byť kódovaná niekoľkými rôznymi kodónmi.
6. Všestrannosť. Genetický kód je rovnaký pre všetky živé organizmy.
Príklad. Je nám daná sekvencia kódujúceho reťazca:
3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.
Maticový reťazec bude mať sekvenciu:
5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.
Teraz „syntetizujeme“ informačnú RNA z tohto reťazca:
3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.
Syntéza proteínov ide v smere 5' → 3', preto musíme prevrátiť sekvenciu, aby sme „prečítali“ genetický kód:
5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.
Teraz nájdite štartovací kodón AUG:
5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.
Rozdeľte postupnosť do trojíc:
znie takto: informácie z DNA sa prenášajú do RNA (transkripcia), z RNA do proteínu (translácia). DNA možno duplikovať aj replikáciou a možný je aj proces reverznej transkripcie, keď sa DNA syntetizuje z RNA templátu, ale takýto proces je charakteristický hlavne pre vírusy.
Ryža. 13. Centrálna dogma molekulárnej biológie
GENOM: GÉNY A CHROMOZÓMY
(všeobecné pojmy)
Genóm - súhrn všetkých génov organizmu; jeho kompletná sada chromozómov.
Pojem „genóm“ navrhol G. Winkler v roku 1920 na opis všetkých génov obsiahnutých v haploidnom súbore chromozómov organizmov rovnakého biologického druhu. Pôvodný význam tohto termínu naznačoval, že koncept genómu, na rozdiel od genotypu, je genetickou charakteristikou druhu ako celku, a nie jednotlivca. S rozvojom molekulárnej genetiky sa význam tohto pojmu zmenil. Je známe, že DNA, ktorá je nositeľom genetickej informácie vo väčšine organizmov, a teda tvorí základ genómu, zahŕňa nielen gény v modernom zmysle slova. Väčšinu DNA eukaryotických buniek predstavujú nekódujúce („nadbytočné“) nukleotidové sekvencie, ktoré neobsahujú informácie o proteínoch a nukleových kyselinách. Hlavnou časťou genómu každého organizmu je teda celá DNA jeho haploidnej sady chromozómov.
Gény sú segmenty molekúl DNA, ktoré kódujú polypeptidy a molekuly RNA.
V priebehu minulého storočia sa naše chápanie génov výrazne zmenilo. Predtým bol genóm oblasťou chromozómu, ktorá kóduje alebo určuje jeden znak, resp. fenotypový(viditeľná) vlastnosť, ako je farba očí.
V roku 1940 George Beadle a Edward Tatham navrhli molekulárnu definíciu génu. Vedci spracovali spóry húb Neurospora crassa Röntgenové lúče a iné látky, ktoré spôsobujú zmeny v sekvencii DNA ( mutácie), a našli mutantné kmene húb, ktoré stratili niektoré špecifické enzýmy, čo v niektorých prípadoch viedlo k narušeniu celej metabolickej dráhy. Beadle a Tatham dospeli k záveru, že gén je časť genetického materiálu, ktorá definuje alebo kóduje jeden enzým. Takto vychádza hypotéza "jeden gén, jeden enzým". Tento pojem bol neskôr rozšírený na definíciu "jeden gén - jeden polypeptid" pretože mnohé gény kódujú proteíny, ktoré nie sú enzýmami, a polypeptid môže byť podjednotkou komplexného proteínového komplexu.
Na obr. 14 ukazuje diagram, ako DNA triplety určujú polypeptid, aminokyselinovú sekvenciu proteínu, sprostredkovanú mRNA. Jedno z reťazcov DNA hrá úlohu templátu pre syntézu mRNA, ktorej nukleotidové triplety (kodóny) sú komplementárne k DNA tripletom. U niektorých baktérií a mnohých eukaryotov sú kódujúce sekvencie prerušené nekódujúcimi oblasťami (tzv. intróny).
Moderná biochemická definícia génu ešte konkrétnejšie. Gény sú všetky úseky DNA, ktoré kódujú primárnu sekvenciu konečných produktov, ktoré zahŕňajú polypeptidy alebo RNA, ktoré majú štrukturálnu alebo katalytickú funkciu.
Spolu s génmi obsahuje DNA aj ďalšie sekvencie, ktoré plnia výlučne regulačnú funkciu. Regulačné sekvencie môže označovať začiatok alebo koniec génov, ovplyvniť transkripciu alebo indikovať miesto iniciácie replikácie alebo rekombinácie. Niektoré gény môžu byť vyjadrené rôznymi spôsobmi, pričom rovnaký kus DNA slúži ako templát na tvorbu rôznych produktov.
Môžeme približne vypočítať minimálna veľkosť génu kódujúce medziproduktový proteín. Každá aminokyselina v polypeptidovom reťazci je kódovaná sekvenciou troch nukleotidov; sekvencie týchto tripletov (kodónov) zodpovedajú reťazcu aminokyselín v polypeptide kódovanom daným génom. Polypeptidový reťazec s 350 aminokyselinovými zvyškami (stredne dlhý reťazec) zodpovedá sekvencii 1050 bp. ( bp). Mnohé eukaryotické gény a niektoré prokaryotické gény sú však prerušené segmentmi DNA, ktoré nenesú informácie o proteíne, a preto sú oveľa dlhšie, ako ukazuje jednoduchý výpočet.
Koľko génov je na jednom chromozóme?
Ryža. 15. Pohľad na chromozómy v prokaryotických (vľavo) a eukaryotických bunkách. Históny sú širokou triedou jadrových proteínov, ktoré vykonávajú dve hlavné funkcie: podieľajú sa na balení reťazcov DNA v jadre a na epigenetickej regulácii jadrových procesov, ako je transkripcia, replikácia a oprava.
Ako viete, bakteriálne bunky majú chromozóm vo forme reťazca DNA, zabaleného do kompaktnej štruktúry - nukleoidu. prokaryotický chromozóm Escherichia coli, ktorej genóm je úplne dekódovaný, je kruhová molekula DNA (v skutočnosti to nie je pravidelný kruh, ale skôr slučka bez začiatku a konca), pozostávajúca z 4 639 675 bp. Táto sekvencia obsahuje približne 4300 proteínových génov a ďalších 157 génov pre stabilné molekuly RNA. AT ľudský genóm približne 3,1 miliardy párov báz, čo zodpovedá takmer 29 000 génom umiestneným na 24 rôznych chromozómoch.
Prokaryoty (baktérie).
Baktéria E. coli má jednu dvojvláknovú kruhovú molekulu DNA. Pozostáva z 4 639 675 b.p. a dosahuje dĺžku približne 1,7 mm, čo presahuje dĺžku samotnej bunky E. coli asi 850 krát. Okrem veľkého kruhového chromozómu ako súčasti nukleoidu mnohé baktérie obsahujú jednu alebo viac malých kruhových molekúl DNA, ktoré sú voľne umiestnené v cytosóle. Tieto extrachromozomálne prvky sa nazývajú plazmidy(obr. 16).
Väčšina plazmidov pozostáva len z niekoľkých tisíc párov báz, niektoré obsahujú viac ako 10 000 bp. Nesú genetickú informáciu a replikujú sa a vytvárajú dcérske plazmidy, ktoré sa dostávajú do dcérskych buniek počas delenia rodičovskej bunky. Plazmidy sa nachádzajú nielen v baktériách, ale aj v kvasinkách a iných hubách. V mnohých prípadoch plazmidy neponúkajú hostiteľským bunkám žiadnu výhodu a ich jedinou úlohou je reprodukovať sa nezávisle. Niektoré plazmidy však nesú gény užitočné pre hostiteľa. Napríklad gény obsiahnuté v plazmidoch môžu poskytnúť rezistenciu voči antibakteriálnym látkam v bakteriálnych bunkách. Plazmidy nesúce gén β-laktamázy prepožičiavajú rezistenciu na β-laktámové antibiotiká, ako je penicilín a amoxicilín. Plazmidy môžu prechádzať z buniek odolných voči antibiotikám do iných buniek rovnakého alebo odlišného bakteriálneho druhu, čo spôsobuje, že tieto bunky sa tiež stanú odolnými. Intenzívne používanie antibiotík je silným selektívnym faktorom, ktorý podporuje šírenie plazmidov kódujúcich antibiotickú rezistenciu (ako aj transpozónov kódujúcich podobné gény) medzi patogénnymi baktériami a vedie k vzniku bakteriálnych kmeňov s rezistenciou na viaceré antibiotiká. Lekári začínajú chápať nebezpečenstvo rozšíreného používania antibiotík a predpisujú ich len v nevyhnutných prípadoch. Z podobných dôvodov je rozšírené používanie antibiotík na liečbu hospodárskych zvierat obmedzené.
Pozri tiež: Ravin N.V., Shestakov S.V. Genome of prokaryotes // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. No. 4/2. 972-984.
Eukaryoty.
Tabuľka 2. DNA, gény a chromozómy niektorých organizmov
|
zdieľaná DNA, b.s. |
Počet chromozómov* |
Približný počet génov |
|
|
Escherichia coli(baktéria) |
4 639 675 |
4 435 |
|
|
Saccharomyces cerevisiae(droždie) |
12 080 000 |
16** |
5 860 |
|
Caenorhabditis elegans(háďatko) |
90 269 800 |
12*** |
23 000 |
|
Arabidopsis thaliana(rastlina) |
119 186 200 |
33 000 |
|
|
Drosophila melanogaster(ovocná muška) |
120 367 260 |
20 000 |
|
|
Oryza sativa(ryža) |
480 000 000 |
57 000 |
|
|
Mus sval(myš) |
2 634 266 500 |
27 000 |
|
|
Homo sapiens(človek) |
3 070 128 600 |
29 000 |
Poznámka. Informácie sú neustále aktualizované; Viac aktuálnych informácií nájdete na webových stránkach jednotlivých genomických projektov.
* Pre všetky eukaryoty, okrem kvasiniek, je uvedený diploidný súbor chromozómov. diploidný súprava chromozómy (z gréčtiny diploos - dvojitý a eidos - pohľad) - dvojitá sada chromozómov (2n), z ktorých každý má jeden homológny.
**Haploidná sada. Divoké kmene kvasiniek majú zvyčajne osem (oktaploidných) alebo viac sád týchto chromozómov.
***Pre ženy s dvoma X chromozómami. Muži majú chromozóm X, ale nemajú chromozóm Y, t.j. iba 11 chromozómov.
Kvasinková bunka, jedno z najmenších eukaryotov, má 2,6-krát viac DNA ako bunka E. coli(Tabuľka 2). bunky ovocných mušiek Drosophila, klasický objekt genetického výskumu, obsahuje 35-krát viac DNA a ľudské bunky obsahujú asi 700-krát viac DNA ako bunky E. coli. Mnohé rastliny a obojživelníky obsahujú ešte viac DNA. Genetický materiál eukaryotických buniek je organizovaný vo forme chromozómov. Diploidná sada chromozómov (2 n) závisí od typu organizmu (tabuľka 2).
Napríklad v ľudskej somatickej bunke je 46 chromozómov ( ryža. 17). Každý chromozóm v eukaryotickej bunke, ako je znázornené na obr. 17, a obsahuje jednu veľmi veľkú molekulu dvojvláknovej DNA. Dvadsaťštyri ľudských chromozómov (22 párových chromozómov a dva pohlavné chromozómy X a Y) sa líši v dĺžke viac ako 25-krát. Každý eukaryotický chromozóm obsahuje špecifický súbor génov.
Ryža. 17. eukaryotické chromozómy.a- pár spojených a kondenzovaných sesterských chromatíd z ľudského chromozómu. V tejto forme zostávajú eukaryotické chromozómy po replikácii a v metafáze počas mitózy. b- kompletný súbor chromozómov z leukocytu jedného z autorov knihy. Každá normálna ľudská somatická bunka obsahuje 46 chromozómov.
Ak spojíte molekuly DNA ľudského genómu (22 chromozómov a chromozómy X a Y alebo X a X) k sebe, dostanete sekvenciu dlhú približne jeden meter. Poznámka: U všetkých cicavcov a iných heterogametických samčích organizmov majú samice dva chromozómy X (XX) a samce jeden chromozóm X a jeden chromozóm Y (XY).
Väčšina ľudských buniek, takže celková dĺžka DNA takýchto buniek je asi 2 m. Dospelý človek má asi 1014 buniek, takže celková dĺžka všetkých molekúl DNA je 2・1011 km. Pre porovnanie, obvod Zeme je 4・10 4 km a vzdialenosť od Zeme k Slnku je 1,5・10 8 km. Takto úžasne kompaktne zabalená DNA je v našich bunkách!
V eukaryotických bunkách sa nachádzajú ďalšie organely obsahujúce DNA – sú to mitochondrie a chloroplasty. Bolo predložených veľa hypotéz týkajúcich sa pôvodu mitochondriálnej a chloroplastovej DNA. Dnes je všeobecne akceptovaný názor, že ide o základy chromozómov starých baktérií, ktoré prenikli do cytoplazmy hostiteľských buniek a stali sa prekurzormi týchto organel. Mitochondriálna DNA kóduje mitochondriálnu tRNA a rRNA, ako aj niekoľko mitochondriálnych proteínov. Viac ako 95 % mitochondriálnych proteínov je kódovaných jadrovou DNA.
ŠTRUKTÚRA GÉNOV
Zvážte štruktúru génu u prokaryotov a eukaryotov, ich podobnosti a rozdiely. Napriek tomu, že gén je úsek DNA kódujúci len jeden proteín alebo RNA, okrem priamej kódujúcej časti obsahuje aj regulačné a iné štruktúrne prvky, ktoré majú odlišnú štruktúru u prokaryotov a eukaryotov.
kódovacia sekvencia- hlavná štruktúrna a funkčná jednotka génu, práve v nej kódujú triplety nukleotidovsekvencia aminokyselín. Začína štartovacím kodónom a končí stop kodónom.
Pred a za sekvenciou kódovania sú netranslatované 5' a 3' sekvencie. Vykonávajú regulačné a pomocné funkcie, napríklad zabezpečujú pristátie ribozómu na mRNA.
Nepreložené a kódujúce sekvencie tvoria jednotku transkripcie – transkribovanú oblasť DNA, teda oblasť DNA, z ktorej sa syntetizuje mRNA.
Terminátor Netranskribovaná oblasť DNA na konci génu, kde sa syntéza RNA zastaví.
Na začiatku gen regulačnej oblasti, ktoré zahŕňa promótor a operátor.
promótor- sekvencia, s ktorou sa polymeráza viaže počas iniciácie transkripcie. Operátor- toto je oblasť, na ktorú sa môžu viazať špeciálne proteíny - represory, čo môže znížiť aktivitu syntézy RNA z tohto génu – inými slovami, znížiť ju výraz.
Štruktúra génov v prokaryotoch
Všeobecný plán štruktúry génov u prokaryotov a eukaryotov sa nelíši – oba obsahujú regulačnú oblasť s promótorom a operátorom, transkripčnú jednotku s kódujúcimi a nepreloženými sekvenciami a terminátor. Organizácia génov u prokaryotov a eukaryotov je však odlišná.
Ryža. 18. Schéma štruktúry génu u prokaryotov (baktérií) -obrázok sa zväčší
Na začiatku a na konci operónu sú spoločné regulačné oblasti pre niekoľko štruktúrnych génov. Z transkribovanej oblasti operónu sa načíta jedna molekula mRNA, ktorá obsahuje niekoľko kódujúcich sekvencií, z ktorých každá má svoj štart a stop kodón. Z každej z týchto oblastísyntetizuje sa jeden proteín. Touto cestou, Z jednej i-RNA molekuly sa syntetizuje niekoľko proteínových molekúl.
Prokaryoty sa vyznačujú kombináciou niekoľkých génov do jednej funkčnej jednotky - operón. Práca operónu môže byť regulovaná inými génmi, ktoré sa dajú výrazne odstrániť zo samotného operónu - regulátorov. Proteín preložený z tohto génu je tzv represor. Viaže sa na operátora operónu, pričom reguluje expresiu všetkých génov v ňom obsiahnutých naraz.
Tento jav sa vyznačuje aj prokaryotmi transkripčné a translačné konjugácie.
Ryža. 19 Fenomén konjugácie transkripcie a translácie u prokaryotov - obrázok sa zväčší
Toto párovanie sa nevyskytuje u eukaryotov v dôsledku prítomnosti jadrovej membrány, ktorá oddeľuje cytoplazmu, kde dochádza k translácii, od genetického materiálu, na ktorom dochádza k transkripcii. U prokaryotov sa počas syntézy RNA na templáte DNA môže ribozóm okamžite naviazať na syntetizovanú molekulu RNA. Preklad teda začína ešte pred dokončením prepisu. Okrem toho sa niekoľko ribozómov môže súčasne viazať na jednu molekulu RNA, čím sa syntetizuje niekoľko molekúl jedného proteínu naraz.
Štruktúra génov v eukaryotoch
Gény a chromozómy eukaryotov sú veľmi zložito organizované.
Baktérie mnohých druhov majú iba jeden chromozóm a takmer vo všetkých prípadoch je na každom chromozóme jedna kópia každého génu. Len niekoľko génov, ako sú gény rRNA, je obsiahnutých vo viacerých kópiách. Gény a regulačné sekvencie tvoria takmer celý genóm prokaryotov. Navyše takmer každý gén presne zodpovedá sekvencii aminokyselín (alebo sekvencii RNA), ktorú kóduje (obr. 14).
Štrukturálna a funkčná organizácia eukaryotických génov je oveľa zložitejšia. Štúdium eukaryotických chromozómov a neskôr sekvenovanie kompletných sekvencií eukaryotického genómu prinieslo mnohé prekvapenia. Mnohé, ak nie väčšina, eukaryotických génov má zaujímavú vlastnosť: ich nukleotidové sekvencie obsahujú jednu alebo viacero oblastí DNA, ktoré nekódujú aminokyselinovú sekvenciu polypeptidového produktu. Takéto netranslatované inzerty narúšajú priamu zhodu medzi nukleotidovou sekvenciou génu a aminokyselinovou sekvenciou kódovaného polypeptidu. Tieto nepreložené segmenty v génoch sa nazývajú intróny, alebo vstavaný sekvencie a kódovacie segmenty sú exóny. U prokaryotov obsahuje intróny iba niekoľko génov.
Takže v eukaryotoch prakticky neexistuje žiadna kombinácia génov do operónov a kódujúca sekvencia eukaryotického génu sa najčastejšie delí na translatované oblasti. - exóny a nepreložené sekcie - intróny.
Vo väčšine prípadov funkcia intrónov nebola stanovená. Vo všeobecnosti len asi 1,5 % ľudskej DNA „kóduje“, to znamená, že nesie informácie o proteínoch alebo RNA. Ak však vezmeme do úvahy veľké intróny, ukazuje sa, že 30 % ľudskej DNA tvoria gény. Keďže gény tvoria relatívne malú časť ľudského genómu, značné množstvo DNA zostáva nevysvetlené.
Ryža. 16. Schéma štruktúry génu u eukaryotov - obrázok sa zväčší
Z každého génu sa najskôr syntetizuje nezrelá alebo pre-RNA, ktorá obsahuje intróny aj exóny.
Potom nastáva proces zostrihu, v dôsledku ktorého sa vystrihnú oblasti intrónu a vytvorí sa zrelá mRNA, z ktorej možno syntetizovať proteín.
Ryža. 20. Alternatívny proces spájania - obrázok sa zväčší
Takáto organizácia génov umožňuje napríklad, keď sa z jedného génu môžu syntetizovať rôzne formy proteínu, a to vďaka skutočnosti, že exóny môžu byť počas zostrihu fúzované v rôznych sekvenciách.
Ryža. 21. Rozdiely v štruktúre génov prokaryotov a eukaryotov - obrázok sa zväčší
MUTÁCIE A MUTAGENÉZA
mutácia nazývaná pretrvávajúca zmena genotypu, teda zmena nukleotidovej sekvencie.
Proces, ktorý vedie k mutácii, sa nazýva mutagenéza a organizmus všetky ktorých bunky nesú rovnakú mutáciu mutant.
teória mutácií prvýkrát ju sformuloval Hugh de Vries v roku 1903. Jeho moderná verzia obsahuje nasledujúce ustanovenia:
1. Mutácie sa vyskytujú náhle, náhle.
2. Mutácie sa dedia z generácie na generáciu.
3. Mutácie môžu byť prospešné, škodlivé alebo neutrálne, dominantné alebo recesívne.
4. Pravdepodobnosť detekcie mutácií závisí od počtu skúmaných jedincov.
5. Podobné mutácie sa môžu vyskytovať opakovane.
6. Mutácie nie sú riadené.
Mutácie sa môžu vyskytnúť pod vplyvom rôznych faktorov. Rozlišujte medzi mutáciami spôsobenými mutagénne dopady: fyzikálne (napr. ultrafialové alebo žiarenie), chemické (napr. kolchicín alebo reaktívne formy kyslíka) a biologické (napr. vírusy). Môžu byť spôsobené aj mutácie chyby replikácie.
V závislosti od podmienok pre výskyt mutácií sa delia na spontánny- teda mutácie, ktoré vznikli za normálnych podmienok, a vyvolané- teda mutácie, ktoré vznikli za špeciálnych podmienok.
K mutáciám môže dochádzať nielen v jadrovej DNA, ale napríklad aj v DNA mitochondrií či plastidov. Podľa toho môžeme rozlišovať jadrové a cytoplazmatický mutácie.
V dôsledku výskytu mutácií sa často môžu objaviť nové alely. Ak mutantná alela prepíše normálnu alelu, nazýva sa mutácia dominantný. Ak normálna alela potláča zmutovanú, mutácia sa nazýva recesívny. Väčšina mutácií, ktoré vedú k vzniku nových alel, je recesívna.
Mutácie sa rozlišujú podľa účinku adaptívnyčo vedie k zvýšeniu adaptability organizmu na prostredie, neutrálny ktoré neovplyvňujú prežitie škodlivé ktoré znižujú adaptabilitu organizmov na podmienky prostredia a smrteľnéčo vedie k smrti organizmu v počiatočných štádiách vývoja.
Podľa dôsledkov sa rozlišujú mutácie vedúce k strata funkcie bielkovín, mutácie vedúce k vznik proteín má novú funkciu, ako aj mutácie, ktoré zmeniť dávku génu a v súlade s tým aj dávka proteínu z neho syntetizovaného.
Mutácia sa môže vyskytnúť v ktorejkoľvek bunke tela. Ak dôjde k mutácii v zárodočnej bunke, ide o tzv zárodočný(zárodočné alebo generatívne). Takéto mutácie sa nevyskytujú v organizme, v ktorom sa objavili, ale vedú k objaveniu sa mutantov u potomstva a sú zdedené, takže sú dôležité pre genetiku a evolúciu. Ak sa mutácia vyskytne v akejkoľvek inej bunke, ide o tzv somatická. Takáto mutácia sa môže do určitej miery prejaviť v organizme, v ktorom vznikla, viesť napríklad k vzniku rakovinových nádorov. Takáto mutácia sa však nededí a neovplyvňuje potomstvo.
Mutácie môžu ovplyvniť časti genómu rôznych veľkostí. Prideliť genetické, chromozomálne a genomický mutácie.
Génové mutácie
Mutácie, ktoré sa vyskytujú v mierke menšej ako jeden gén, sa nazývajú genetické, alebo bodkovaný (bodkovaný). Takéto mutácie vedú k zmene jedného alebo viacerých nukleotidov v sekvencii. Medzi génové mutácie patrísubstitúciečo vedie k nahradeniu jedného nukleotidu iným,vymazaniačo vedie k strate jedného z nukleotidov,vloženiačo vedie k pridaniu ďalšieho nukleotidu do sekvencie.
Ryža. 23. Génové (bodové) mutácie
Podľa mechanizmu účinku na proteín sa génové mutácie delia na:synonymný ktoré (v dôsledku degenerácie genetického kódu) nevedú k zmene zloženia aminokyselín proteínového produktu,missense mutácie ktoré vedú k nahradeniu jednej aminokyseliny inou a môžu ovplyvniť štruktúru syntetizovaného proteínu, hoci sú často nevýznamné,nezmyselné mutáciečo vedie k nahradeniu kódujúceho kodónu stop kodónom,mutácie vedúce k porucha zostrihu:
Ryža. 24. Mutačné schémy
Tiež podľa mechanizmu účinku na proteín sa izolujú mutácie, ktoré vedú k posun rámu čítania ako sú vloženia a vymazania. Takéto mutácie, ako napríklad nezmyselné mutácie, hoci sa vyskytujú v jednom bode génu, často ovplyvňujú celú štruktúru proteínu, čo môže viesť k úplnej zmene jeho štruktúry.
Ryža. 29. Chromozóm pred a po duplikácii
Genomické mutácie
nakoniec genómové mutácie ovplyvňujú celý genóm, to znamená, že sa mení počet chromozómov. Rozlišuje sa polyploidia - zvýšenie ploidie bunky a aneuploidia, to znamená zmena počtu chromozómov, napríklad trizómia (prítomnosť ďalšieho homológu v jednom z chromozómov) a monozómia (neprítomnosť chromozómov). homológ v chromozóme).
Video súvisiace s DNA
REPLIKÁCIA DNA, KÓDOVANIE RNA, SYNTÉZA PROTEÍNOV
Priestorový model molekuly DNA navrhli v roku 1953 americkí výskumníci, genetik James Watson (nar. 1928) a fyzik Francis Crick (nar. 1916). Za svoj výnimočný prínos k tomuto objavu im bola v roku 1962 udelená Nobelova cena za fyziológiu a medicínu.
Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je biopolymér, ktorého monomérom je nukleotid. Každý nukleotid pozostáva zo zvyšku kyseliny fosforečnej spojeného s cukrom s deoxyribózou, ktorá je zase spojená s dusíkatou bázou. V molekule DNA sú štyri typy dusíkatých báz: adenín, tymín, guanín a cytozín.
Molekula DNA pozostáva z dvoch dlhých reťazcov, ktoré sú navzájom prepletené do tvaru špirály, najčastejšie pravotočivej. Výnimkou sú vírusy, ktoré obsahujú jednovláknovú DNA.
Kyselina fosforečná a cukor, ktoré sú súčasťou nukleotidov, tvoria vertikálnu základňu špirály. Dusíkaté bázy sú usporiadané kolmo a tvoria „mosty“ medzi špirálami. Dusíkaté bázy jedného reťazca sú spojené s dusíkatými bázami druhého reťazca podľa princípu komplementarity alebo korešpondencie.
Princíp komplementarity. V molekule DNA sa adenín spája iba s tymínom, guanínom - iba s cytozínom.
Dusíkaté bázy sa navzájom optimálne hodia. Adenín a tymín sú spojené dvoma vodíkovými väzbami, guanín a cytozín tromi. Preto je potrebné viac energie na prerušenie väzby guanín-cytozín. Tymín a cytozín rovnakej veľkosti sú oveľa menšie ako adenín a guanín. Pár tymín-cytozín by bol príliš malý, pór adenín-guanín príliš veľký a špirála DNA by bola ohnutá.
Vodíkové väzby sú krehké. Ľahko sa roztrhnú a rovnako ľahko obnovia. Reťazce dvojitej špirály sa pôsobením enzýmov alebo pri vysokej teplote môžu rozchádzať ako zips.
5. Molekula RNA Kyselina ribonukleová (RNA)
Molekula ribonukleovej kyseliny (RNA) je tiež biopolymér, ktorý pozostáva zo štyroch typov monomérov – nukleotidov. Každý monomér molekuly RNA obsahuje zvyšok kyseliny fosforečnej, ribózový cukor a dusíkatú bázu. Okrem toho sú tri dusíkaté bázy rovnaké ako v DNA - adenín, guanín a cytozín, ale namiesto tymínu v RNA je v štruktúre blízky uracil. RNA je jednovláknová molekula.
Kvantitatívny obsah molekúl DNA v bunkách akéhokoľvek druhu je takmer konštantný, ale množstvo RNA sa môže výrazne líšiť.
Typy RNA
V závislosti od štruktúry a vykonávanej funkcie sa rozlišujú tri typy RNA.
1. Preneste RNA (tRNA). Transferové RNA sa nachádzajú hlavne v cytoplazme bunky. Nesú aminokyseliny na miesto syntézy bielkovín v ribozóme.
2. Ribozomálna RNA (rRNA). Ribozomálna RNA sa viaže na určité proteíny a vytvára ribozómy, organely, v ktorých sa syntetizujú proteíny.
3. Messenger RNA (mRNA) alebo messenger RNA (mRNA). Messenger RNA prenáša informácie o štruktúre proteínu z DNA do ribozómu. Každá molekula mRNA zodpovedá špecifickému úseku DNA, ktorý kóduje štruktúru jednej molekuly proteínu. Preto pre každý z tisícok proteínov, ktoré sa v bunke syntetizujú, existuje vlastná špeciálna mRNA.
Ministerstvo školstva Ruskej federácie
Štátna univerzita južného Uralu
Katedra ekonomiky a manažmentu
Disciplína "Koncept moderných prírodných vied"
"Chemické základy štruktúry DNA"
Dokončené: študent EiU-232
Sedrakyan Igor
Skontroloval: Senin A.V.
Čeľabinsk
Úvod
štruktúra DNA
Zloženie DNA
Makromolekulárna štruktúra DNA
4.1 Izolácia deoxyribonukleových kyselín
4.2 Frakcionácia
Funkcie DNA
Internukleotidové väzby
6.1 Internukleotidová väzba v DNA
7. Syntéza templátu DNA
7.1 DNA polymerázy
7.2 Iniciácia reťazcov DNA
7.3 Odvíjanie dvojitej špirály DNA
7.4 Diskontinuálna syntéza DNA
7.5 Kooperatívne pôsobenie proteínov replikačnej vidlice
8. Záver
Použité zdroje
Úvod
Zdedené vlastnosti sú uložené v materiálnych jednotkách, génoch, ktoré sa nachádzajú v chromozómoch bunkového jadra. Chemická podstata génov je známa už od roku 1944: hovoríme o kyseline deoxyribonukleovej (DNA). Fyzikálna štruktúra bola objasnená v roku 1953. Dvojzávitnica tejto makromolekuly vysvetľuje mechanizmus dedičného prenosu vlastností.
Pri pozornom pohľade na svet okolo nás si všimneme veľké množstvo živých bytostí – od rastlín po zvieratá. Pod touto zdanlivou rozmanitosťou sa v skutočnosti skrýva úžasná jednota živých buniek – prvkov, z ktorých je zostavený každý organizmus a ktorých vzájomné pôsobenie určuje jeho harmonickú existenciu. Z hľadiska druhu sú podobnosti medzi jednotlivcami veľké, a predsa neexistujú dva absolútne identické organizmy (okrem jednovaječných dvojčiat). Koncom 19. storočia boli v dielach Gregora Mendela sformulované základné zákony, ktoré určovali dedičný prenos vlastností z generácie na generáciu. Začiatkom 20. storočia sa v pokusoch T. Morgana ukázalo, že elementárne dedičné vlastnosti sú spôsobené materiálnymi jednotkami (génmi) lokalizovanými v chromozómoch, kde sú umiestnené postupne za sebou.
V roku 1944 práca Averyho, McLeoda a McCarthyho určila chemickú povahu génov: pozostávajú z kyseliny deoxyribonukleovej (DNA). Po 10 rokoch J. Watson a F. Crick navrhli model fyzikálnej štruktúry molekuly DNA. Dlhá molekula je tvorená dvojitou špirálou a komplementárna interakcia medzi dvoma vláknami tejto špirály nám umožňuje pochopiť, ako sa genetická informácia presne kopíruje (replikuje) a prenáša do ďalších generácií.
Súčasne s týmito objavmi sa vedci pokúšali analyzovať aj „produkty“ génov, t.j. tie molekuly, ktoré sú syntetizované v bunkách pod ich kontrolou. Práca Ephrussiho, Beadlea a Tatuma v predvečer druhej svetovej vojny predložila myšlienku, že gény „produkujú“ proteíny. Gén teda uchováva informácie pre syntézu proteínu (enzýmu) potrebného na úspešnú realizáciu určitej reakcie v bunke. Na rozlúsknutie zložitého mechanizmu dešifrovania informácie obsiahnutej v DNA a jej prekladu do formy proteínu si ale muselo počkať až do 60. rokov. Nakoniec, najmä vďaka práci Nirenberga (USA), bol objavený zákon korešpondencie medzi DNA a proteínmi - genetický kód.
štruktúra DNA.
V roku 1869 objavil švajčiarsky biochemik Friedrich Miescher v jadre buniek zlúčeniny s kyslými vlastnosťami a s ešte vyššou molekulovou hmotnosťou ako bielkoviny. Altman ich nazval nukleové kyseliny, z latinského slova „nucleus“ – jadro. Rovnako ako bielkoviny, aj nukleové kyseliny sú polyméry. Ich monoméry sú nukleotidy, a preto možno nukleové kyseliny nazývať aj polynukleotidy.
Nukleové kyseliny sa našli v bunkách všetkých organizmov, od najjednoduchších po najvyššie. Najprekvapujúcejšie je, že chemické zloženie, štruktúra a základné vlastnosti týchto látok sa ukázali byť podobné v rôznych živých organizmoch. Ale ak sa na stavbe bielkovín zúčastňuje asi 20 druhov aminokyselín, potom existujú iba štyri rôzne nukleotidy, ktoré tvoria nukleové kyseliny.
Nukleové kyseliny sa delia na dva typy – kyselinu deoxyribonukleovú (DNA) a kyselinu ribonukleovú (RNA). Zloženie DNA zahŕňa dusíkaté bázy (adenín (A), guanín (G), tymín (T), cytozín (C)), deoxyribózu C 5 H 10 O 4 a zvyšok kyseliny fosforečnej. RNA obsahuje uracil (U) namiesto tymínu a ribózu (C5H10O5) namiesto deoxyribózy. Monoméry DNA a RNA sú nukleotidy, ktoré pozostávajú z dusíkatých, purínových (adenín a guanín) a pyrimidínových (uracil, tymín a cytozín) báz, zvyšku kyseliny fosforečnej a uhľohydrátov (ribóza a deoxyribóza).
Molekuly DNA sú obsiahnuté v chromozómoch bunkového jadra živých organizmov, v ekvivalentných štruktúrach mitochondrií, chloroplastov, v prokaryotických bunkách a v mnohých vírusoch. Vo svojej štruktúre je molekula DNA podobná dvojitej špirále. Štrukturálny model DNA v
tvar dvojitej skrutkovice prvýkrát navrhli v roku 1953 americký biochemik J. Watson a anglický biofyzik a genetik F. Crick, ktorí boli v roku 1962 ocenení Nobelovou cenou spolu s anglickým biofyzikom M. Wilkinsonom, ktorý získal X- lúč DNA Nukleové kyseliny sú biopolyméry, ktorých makromolekuly pozostávajú z opakovane sa opakujúcich väzieb - nukleotidov. Preto sa nazývajú aj polynukleotidy. Najdôležitejšou charakteristikou nukleových kyselín je ich nukleotidové zloženie. Zloženie nukleotidu - štruktúrnej jednotky nukleových kyselín - zahŕňa tri zložky:
dusíkatá zásada - pyrimidín alebo purín. Nukleové kyseliny obsahujú 4 rôzne typy zásad: dve z nich patria do triedy purínov a dve patria do triedy pyrimidínov. Dusík obsiahnutý v kruhoch dáva molekulám ich základné vlastnosti.
monosacharid - ribóza alebo 2-deoxyribóza. Cukor, ktorý je súčasťou nukleotidu, obsahuje päť atómov uhlíka, t.j. je pentóza. V závislosti od typu pentózy prítomnej v nukleotide existujú dva typy nukleových kyselín – ribonukleové kyseliny (RNA), ktoré obsahujú ribózu, a deoxyribonukleové kyseliny (DNA), ktoré obsahujú deoxyribózu.
zvyšok kyseliny fosforečnej. Nukleové kyseliny sú kyseliny, pretože ich molekuly obsahujú kyselinu fosforečnú.
Nukleotid je fosfátový ester nukleozidu. Nukleozid pozostáva z dvoch zložiek: monosacharidu (ribóza alebo deoxyribóza) a dusíkatej bázy.
Metóda stanovenia zloženia PC je založená na analýze hydrolyzátov vznikajúcich pri ich enzymatickom alebo chemickom štiepení. Bežne sa používajú tri spôsoby chemického štiepenia NC. Kyslá hydrolýza v drsných podmienkach (70 % kyselina chloristá, 100 °C, 1 h alebo 100 % kyselina mravčia, 175 °C, 2 h), používaná na analýzu DNA aj RNA, rozbije všetky N-glykozidové väzby a vytvorí zmes purínové a pyrimidínové zásady.
Nukleotidy sú spojené do reťazca prostredníctvom kovalentných väzieb. Takto vytvorené reťazce nukleotidov sú po celej dĺžke spojené do jednej molekuly DNA vodíkovými väzbami: adenínový nukleotid jedného reťazca je spojený s tymínovým nukleotidom druhého reťazca a guanínový nukleotid s cytozínovým. V tomto prípade adenín vždy rozpoznáva iba tymín a viaže sa naň a naopak. Podobný pár tvoria guanín a cytozín. Takéto páry báz, podobne ako nukleotidy, sa nazývajú komplementárne a samotný princíp tvorby molekuly dvojvláknovej DNA sa nazýva princíp komplementarity. Počet nukleotidových párov napríklad v ľudskom tele je 3 - 3,5 miliardy.
DNA je materiálnym nosičom dedičnej informácie, ktorá je kódovaná sekvenciou nukleotidov. Usporiadanie štyroch typov nukleotidov v reťazcoch DNA určuje poradie aminokyselín v molekulách bielkovín, t.j. ich primárna štruktúra. Vlastnosti buniek a jednotlivé charakteristiky organizmov závisia od súboru bielkovín. Určitá kombinácia nukleotidov, ktoré nesú informácie o štruktúre proteínu, a sekvencia ich umiestnenia v molekule DNA tvoria genetický kód. Gén (z gréckeho genos - rod, pôvod) - jednotka dedičného materiálu zodpovedná za vytvorenie akéhokoľvek znaku. Zaberá časť molekuly DNA, ktorá určuje štruktúru jednej molekuly proteínu. Súhrn génov obsiahnutých v jedinej sade chromozómov daného organizmu sa nazýva genóm a genetická konštitúcia organizmu (súhrn všetkých jeho génov) sa nazýva genotyp. Porušenie nukleotidovej sekvencie v reťazci DNA a následne v genotype vedie k dedičným zmenám v telesných mutáciách.
Molekuly DNA sa vyznačujú dôležitou vlastnosťou zdvojenia – vytvorením dvoch rovnakých dvojitých závitníc, z ktorých každá je identická s pôvodnou molekulou. Tento proces duplikácie molekuly DNA sa nazýva replikácia. Replikácia zahŕňa rozbitie starých a vytvorenie nových vodíkových väzieb, ktoré spájajú reťazce nukleotidov. Na začiatku replikácie sa dva staré reťazce začnú odvíjať a oddeľovať od seba. Potom sa podľa princípu komplementarity k dvom starým reťazcom pridajú nové. To vytvára dve rovnaké dvojité špirály. Replikácia poskytuje presnú kópiu genetickej informácie obsiahnutej v molekulách DNA a prenáša ju z generácie na generáciu.
Zloženie DNA
DNA (deoxyribonukleová kyselina)- biologický polymér pozostávajúci z dvoch polynukleotidových reťazcov navzájom spojených. Monoméry, ktoré tvoria každý z reťazcov DNA, sú komplexné organické zlúčeniny, vrátane jednej zo štyroch dusíkatých báz: adenín (A) alebo tymín (T), cytozín (C) alebo guanín (G); päťatómový cukor pentóza - deoxyribóza, podľa ktorej bola pomenovaná samotná DNA, ako aj zvyšok kyseliny fosforečnej. Tieto zlúčeniny sa nazývajú nukleotidy. V každom vlákne sú nukleotidy spojené vytvorením kovalentných väzieb medzi deoxyribózou jedného a zvyškom kyseliny fosforečnej nasledujúceho nukleotidu. Dva reťazce sú spojené do jednej molekuly pomocou vodíkových väzieb, ktoré sa vyskytujú medzi dusíkatými bázami, ktoré sú súčasťou nukleotidov tvoriacich rôzne reťazce.
Pri skúmaní nukleotidového zloženia DNA rôzneho pôvodu Chargaff objavil nasledujúce vzorce.
1. Všetka DNA, bez ohľadu na ich pôvod, obsahuje rovnaký počet purínových a pyrimidínových báz. Preto v každej DNA existuje jeden pyrimidínový nukleotid na každý purínový nukleotid.
2. Akákoľvek DNA vždy obsahuje rovnaké množstvá adenínu a tymínu, guanínu a cytozínu v pároch, čo sa zvyčajne označuje ako A=T a G=C. Z týchto zákonitostí vyplýva tretí vzor.
3. Počet báz obsahujúcich aminoskupiny v polohe 4 pyrimidínového jadra a 6 purínu (cytozín a adenín) sa rovná počtu báz obsahujúcich oxoskupinu v rovnakých polohách (guanín a tymín), t.j. A + C = G + T. Tieto vzory sa nazývajú Chargaffove pravidlá. Spolu s tým sa zistilo, že pre každý typ DNA sa celkový obsah guanínu a cytozínu nerovná celkovému obsahu adenínu a tymínu, t.j. že (G + C) / (A + T) ako pravidlo, sa líši od jednoty (možno aj viac, aj menej). Na tomto základe sa rozlišujú dva hlavné typy DNA: typ AT s prevládajúcim obsahom adenínu a tymínu a typ GC s prevládajúcim obsahom guanínu a cytozínu.
Hodnota pomeru obsahu súčtu guanínu a cytozínu k súčtu obsahu adenínu a tymínu, ktorá charakterizuje nukleotidové zloženie daného typu DNA, sa bežne nazýva tzv. koeficient špecifickosti. Každá DNA má charakteristický koeficient špecifickosti, ktorý sa môže meniť od 0,3 do 2,8. Pri výpočte koeficientu špecifickosti sa berie do úvahy obsah vedľajších báz, ako aj nahradenie hlavných báz ich derivátmi. Napríklad pri výpočte koeficientu špecifickosti pre pšeničné klíčky EDNA, ktoré obsahujú 6 % 5-metylcytozínu, sa tento započítava do súčtu obsahu guanínu (22,7 %) a cytozínu (16,8 %). Význam Chargaffových pravidiel pre DNA sa stal jasným po vytvorení jej priestorovej štruktúry.
