АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Химический состав и строение молекулы ДНК

Уотсон и Крик предположили, что природная (нативная) молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи, соединенные между собой и за­крученные в форме двойной спирали.

Основная структурная единица одной цепи — нуклеотид. Он состоит из трех химически различных частей, соединенных ковалентными связями: дезоксирибозы, азотистого основания и фосфатной группы. ДНК содержит пуриновые азотистые основания — аденин (А) и гуанин (Г) — и пиримидиновые основания — цитозин (Ц) и тимин (Т). Азотистое основание ковалентно соединено с первым ато­мом углерода сахара и формирует структуру, называемую нуклеозидом. Фосфатные группы соединяют сосед­ние нуклеозиды в полимерную цепоч­ку посредством фосфодиэфирных связей между 5'-атомом углерода од­ного сахара и 3'-атомом углерода дру­гого. Сцепление между цепя­ми обеспечивается особыми водород­ными связями между аденином и тимином и между гуанином и цитозином. Водородные связи много слабее ковалентных, соединяющих отдельные атомы каждого нуклеотида, но достаточно сильны, чтобы обеспе­чить специфичность образования пар А-Т, Г-Ц. Такое попарное сопоставле­ние нуклеотидов, при котором А ком­плементарен Т, а Г комплементарен Ц, было выведено с помощью построения молекулярных моделей, в которых точно воспроизводились в масштабе все межатомные расстояния. Прост­ранственная модель молекулы ДНК показала характер закрученности це­пей друг относительно друга и плот­ность упаковки пар азотистых основа­ний в двойной спирали. Кро­ме того, построение молекулярной мо­дели гипотетической двойной спирали потребовало «антипараллельности» нуклеотидных цепочек.

Нуклеиновые кислоты — это очень длинные полимерные цепочки. Молекулы ДНК содержат в за­висимости от вида организмов от не­скольких тысяч до многих миллионов нуклеотидов. Для любой последова­тельности азотистых оснований воз­можна равная ей по длине комплемен­тарная последовательность, составля­ющая вторую цепь двойной спирали. Конкретная последовательность пар А-Т и Г-Ц не влияет на структуру мо­лекулы ДНК, образующей двойную спираль. Возможное число различных последовательностей пар оснований в молекуле ДНК практически бесконеч­но и способно кодировать колоссаль­ное количество информации.

Из модели следует, что физическая структура природной ДНК может сильно изменяться при нагревании или титровании, когда не нарушаются ковалентные, но разрываются водо­родные связи, в результате чего две це­пи отделяются друг от друга.

Поскольку цепи ДНК комплемен­тарны, каждая из них при расплетании двойной спирали способна служить матрицей для синтеза новой компле­ментарной цепи. Последовательность оснований во вновь синтезируемой це­пи будет определяться спецификой во­дородных связей между азотистыми основаниями родительской и вновь синтезируемой цепи. Таким образом, генетическая информация, содержавшаяся в последовательности пар оснований родительской молеку­лы, будет полностью воспроизведена в двух дочерних молекулах. Более того, если в процессе удвоения ДНК про­изошла ошибка и какой-либо нуклеотид во вновь образуемой цепи выпал или оказался некомплементарным ис­ходному, то это может изменить ин­формационное содержание молекулы, причем логично ожидать, что ошибка будет передана дочерним молекулам ДНК в следующих поколениях. Такая замена пары нуклеотидов будет обладать свойствами генетических мутаций. Модель структуры ДНК Уотсона и Крика объясняет как способность генов к самоудвоению (реплика­ции), так и их информационные свой­ства.

Генетический код - свойственная живым организмам единая система за­писи наследственной информации в молеку­лах нуклеиновых кислот в виде последова­тельности нуклеотидов; определяет пос­ледовательность включения аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь в соответствии с последовательностью нуклеотидов ДНК гена. В узком смысле генетический код — словарь кодонов (триплетов иРНК), кодирующих те или иные амино­кислоты и знаки пунктуации процесса белкового синтеза. Реализация генетического кода в живых клетках, т. е. синтез белка, ко­дируемого геном, осуществляется при помощи двух матричных процессов — транскрипции и трансляции.

Общие свойства генетического кода:

· триплетность (каждая аминокислота кодируется тройкой нук­леотидов);

· неперекрываемость (кодоны одного гена не перекрываются);

· вырож­денность (многие аминокислотные остатки кодируются несколькими кодонами);

· однознач­ность (каждый отдельный кодон коди­рует только один аминокислотный оста­ток);

· компактность (между кодонами в иРНК нет «запятых» — нуклеотидов, не входящих в последовательность кодо­нов данного гена);

· универсальность (генетический код одинаков для всех исследованных орга­низмов, хотя известно, что несколько изменённые генетические коды функционируют в ми­тохондриях);

· считывание начинается с определенной точки (начало определяет кодон-инициатор) и идёт в одном направлении в пределах одного гена.

Постановка проб­лемы генетического кода и теоретическое рассмотрение некоторых возможных его вариантов принадлежат А. Даунсу (1952) и Г. Гамову (1954). Основные свойства генетического кода (триплетность, вырожденность) выявлены в 1961 в генетических экспериментах Ф. Крика и С. Брен­нера.

Молекулы ДНК в эукариотических клетках очень велики. Так, длина мо­лекул ДНК, выделенных из клеток че­ловека, достигает нескольких сантиме­тров. Принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну — единственную непрерывную молекулу ДНК. Учитывая видовое ко­личество хромосом у млекопитающих, можно сказать, что в среднем у них на интерфазное ядро приходится около 2 м ДНК, находящейся в сферическом ядре диаметром менее 10 мкм. При этом в ядре должен сохраняться опре­деленный порядок расположения мо­лекул ДНК, чтобы обеспечить ее упо­рядоченное функционирование.

Молекулы ДНК в ядрах эукариоти­ческих клеток всегда находятся в ком­плексе с белками в составе хроматина, представляющего собойнуклео-протеидные нити, из которых состоят хромо­сомы клеток эукариот. Термин введён В. Флеммингом (1880г.). В цитологии под хроматином подразумевают дисперсное состояние хромосом в интерфазе клеточного цикла. Основные структурные компоненты хроматина — ДНК (30—45%), гистоны (30—50%) и негистоновые белки (4—33%). На электронных микрофотографиях хроматин напоминает бусы, «снизанные» из нуклеосом — частиц диаметром около 10 нм. Высшие порядки струк­турной организации хроматина (хромосомы) обра­зуются из линейного пучка элементар­ных нитей хроматина— нуклеосом — за счёт суперспирализации, образования петель прикрепления к «осевому скелету» из негистоновых белков. В этих процессах участвуют гистоны, ионы металлов и т. д. Различие между активным и неак­тивным хроматином связывают прежде всего с различиями состава и со структурными переходами последнего (главным образом плот­ностью упаковки). Возможно, что эти типы хроматина различаются нуклеосомной орга­низацией.

Общая организация хромосом чело­века традиционна: в метафазе хромо­сома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных между собой в районе первичной перетяжки (центро­меры). Центромера делит хроматиду на два плеча. Плечи могут быть равны­ми, тогда хромосома называется мета-центрической. Если одно плечо немно­го короче другого, то хромосомы име­нуются субметацентрическими. В не­скольких парах хромосом человека од­но плечо гораздо короче другого, такие хромосомы носят название акроцентрических. Тонкая морфоло­гия хромосом зависит от фазы митоза. Наиболее сильно спирализованы хро­мосомы в мета- и анафазе.

Информация о первичной структу­ре полипептидов (последовательности аминокислот в них) записана в ДНК в виде трехбуквенного кода, составлен­ного из первых букв названий четырех азотистых оснований, входящих в со­став ДНК (АТГЦ). Каждой аминокис­лоте соответствует определенный триплет из трех соседних нуклеотидов. Например, аминокислоте фенилаланин в ДНК соответствует кодон AAA, a аминокислоте серин — АГА. Из 64 воз­можных триплетов 61 кодирует 20 аминокислот, обнаруженных в составе клеточных белков, а 3 кодона являют­ся стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Если триплет, соответствующий метионину, стоит в начале цепи ДНК, то он выпол­няет функцию возбуждения считыва­ния. (Кодоны, выполняющие сигналь­ные функции, называют нонсенс — кодонами). Генетический код вырожден, т. е. каждая аминокислота может коди­роваться несколькими вариантами триплетов. Для осуществления синте­за полипептидов генетическая инфор­мация, закодированная в ДНК в соста­ве хроматина, переписывается (про­цесс транскрипции) по принципу ком­плементарности азотистых оснований на информационную РНК, которая пе­реходит из ядра в цитоплазму, где при­нимает участие в процессе трансля­ции: переводе информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, т. е. процессе синтеза белка. Каждому дан­ному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокис­лота. Процесс считывания генетичес­кого кода не допускает возможности перекрывания кодонов. Начавшись на определенном кодоне, считывание сле­дующих идет без знаков препинания и пропусков вплоть до нонсенс-кодонов. Положение первого кодона определя­ет границы рамки считывания. Генетический код человека не отличается по каким-либо параметрам от генетичес­кого кода любых других эукариотических организмов.

В пределах одного гена, который ко­дирует полипептид, участок молекулы ДНК подразделяется на функциональ­но различные единицы. От­личительная черта строения многих генов эукариот — прерывистость структуры смысловой части. Смысло­вые участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке — экзоны, чередуются с участка­ми некодирующих последовательнос­тей — интронами. Часто интроны по длине могут превосходить экзоны. На­личие избыточных последовательнос­тей приводит к тому, что длина гена может быть в несколько раз больше, чем требуется для кодирования амино­кислот в белке. Гаплоидный набор хро­мосом человека содержит 3000000000 нуклеотидных пар, что по количеству со­ответствует примерно 1,5 млн. пар ге­нов. Однако данные по изучению гено­ма человека показывают, что организм человека имеет не более 100 тыс. генов. Это значит, что в клетках человека только 1% ДНК выполняет кодирую­щие функции. В отношении оставших­ся 99% существуют разные гипотезы, обосновывающие их регуляторные и структурные функции.

Процесс транскрипции на ДНК, как на матрице, связан с синтезом компле­ментарной последовательности РНК, включающей и интроны, и экзоны. За­тем в ходе созревания РНК в ядре из нее удаляются интроны, а концы со­седних экзонов сшиваются стык в стык. Процесс удаления последова­тельностей РНК, соответствующих интронам, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов называется сплай­сингом.

Дата добавления: 2015-01-12 | Просмотры: 1827 | Нарушение авторских прав