Состоит из нуклеотидов атгц

14 . Рибонуклеиновые кислоты, их виды, строение, назначение.

   РНК —
класс нуклеиновых
кислот,линейных полимеровнуклеотидов,
в состав которых входят остаток фосфорной
кислоты, рибоза (в отличие отДНК,
содержащей дезоксирибозу) и азотистые
основания -аденин,цитозин,гуанини
урацил (в отличие от ДНК, содержащий
вместо урацила тимин). Эти молекулы
содержатся в клетках всех живых
организмов, а также в некоторых
вирусов.
РНК содержатся главным образом
вцитоплазме
клеток. Эти
молекулы синтезируются в клетках всех
клеточных живых организмов, а также
содержатся в вироидах и некоторых
вирусах. 

Основные функции РНК в
клеточных организмах — это шаблон для
трансляции генетической информации в
белки и поставка соответствующих
аминокислот к рибосомам. В вирусах
является носителем генетической
информации (кодирует белки оболочки и
ферменты вирусов).

Структура
РНК.

Молекула
имеет однонитевое строение. Полимер. В
результате взаимодействия нуклеотидов
друг с другом молекула РНК приобретает
вторичную структуру, различной формы
(спираль, глобула и т.д.). Мономером РНК
является нуклеотид (молекула, в состав
которой входит азотистое основание,
остаток фосфорной кислоты и сахар
(пептоза)). РНК напоминает по своему
строению одну цепь ДНК. Нуклеотиды,
входящие в состав РНК: гуанин, аденин,
цитозин, урацил. Аденин и гуанин относятся
к пуриновым основаниям, цитозин и урацил
к пиримидиновым. В отличие от молекулы
ДНК, в качестве углеводного компонента
рибонуклеиновой кислоты выступает не
дезоксирибоза, а рибоза. Вторым
существенным отличием в химическом
строении РНК от ДНК является отсутствие
в молекуле рибонуклеиновой кислоты
такого нуклеотида как тимин. В
РНК он заменён на урацил.

Виды
и типы РНК клеток.

Существуют
три типа РНК, каждый из которых выполняет
свою особую роль в синтезе белка.

1.
Матричная
РНК
переносит генетический код из ядра в
цитоплазму, определяя таким образом
синтез разнообразных белков.

2.
Транспортная
РНК
переносит активированные аминокислоты
к рибосомам для синтеза полипептидных
молекул.

3.
Рибосомная
РНК
в комплексе примерно с 75 разными белками
формирует рибосомы — клеточные органеллы,
на которых происходит сборка полипептидных
молекул.

Матричная
РНК
представляет собой длинную одноцепочечную
молекулу, присутствующую в цитоплазме.
Эта молекула РНК содержит от нескольких
сотен до нескольких тысяч нуклеотидов
РНК, образующих кодоны, строго
комплементарные триплетам ДНК.

Еще
один тип РНК, играющий важнейшую роль
в синтезе белка, называют транспортной
РНК,
поскольку он транспортирует аминокислоты
к строящейся молекуле белка. Каждая
транспортная РНК специфически связывается
только с одной из 20 аминокислот,
составляющих белковые молекулы.
Транспортные РНК действуют как переносчики
специфических аминокислот, доставляя
их к рибосомам, на которых происходит
сборка полипептидных молекул.

Каждая
специфическая транспортная РНК распознает
«свой» кодон матричной РНК, прикрепившейся
к рибосоме, и доставляет соответствующую
аминокислоту на соответствующую позицию
в синтезируемой полипептидной цепи.
Цепь транспортной РНК гораздо короче
матричной РНК, содержит всего около 80
нуклеотидов и упакована в форме клеверного
листа. На одном конце транспортной РНК
всегда находится аденозинмонофосфат
(АМФ), к которому через гидроксильную
группу рибозы прикрепляется транспортируемая
аминокислота. Транспортные РНК служат
для прикрепления специфических
аминокислот к строящейся полипептидной
молекуле, поэтому необходимо, чтобы
каждая транспортная РНК обладала
специфичностью и в отношении соответствующих
кодонов матричной РНК. Код, посредством
которого транспортная РНК распознает
соответствующий кодон на матричной
РНК, также является триплетом и его
называют антикодоном. Антикодон
располагается примерно посередине
молекулы транспортной РНК. Во время
синтеза белка азотистые основания
антикодона транспортной РНК прикрепляются
с помощью водородных связей к азотистым
основаниям кодона матричной РНК. Таким
образом, на матричной РНК выстраиваются
в определенном порядке одна за другой
различные аминокислоты, формируя
соответствующую аминокислотную
последовательность синтезируемого
белка.

Механизмы хранения и передачи наследственной информации — репарация, репликация (строение репликативной вилки), транскрипция, трансляция, характеристика основных ферментов и кофакторов.

Репликация
(«самоудвоение»)
— перенос генетической информации в
пределах одного класса нуклеиновых
кислот, т.е. от ДНК к ДНК (происходит
полное копирование информации).

Транскрипция
(«переписывание») – перенос информации
между разными классами нуклеиновых
кислот: от ДНК к РНК (от РНК к ДНК – у
вирусов), т.е. происходит копирование
отдельных участков. В ходе транскрипции
образуются все виды РНК (м-РНК, т-РНК,
р-РНК)

Трансляция
– перенос генетической информации от
м-РНК к белку, т.е. в пределах разных
классов молекул: перевод информации с
«языка» нуклеиновых кислот на «язык»
полипептидной цепи.

Репарация
ДНК – ограниченная
репликация, исправление поврежденных
участков ДНК ДНКазами, затем ДНК-полимеразы
заполняют пробел и концы «сшиваются»
ДНК лигазами (см. рисунок).

Репликация
ДНК (воспроизведение генотипа) происходит
по полуконсервативному
механизму,
то есть дочерняя цепь ДНК синтезируется
на материнской цепи, называемой обычно
матрицей. Следовательно, вновь образованные
двухспиральные молекулы состоят из
одной «новой» и одной «старой» цепи.

1.
Все ДНК-полимеразы нуждаются для начала
своей работы в предварительно
синтезированных олигонуклеотидах –
затравках,
3’-ОН группа которых используется для
удлинения цепи. (Эти короткие отрезки,
обычно, рибонуклеотидов синтезируются
специальными РНК-полимеразами.
По названию затравки – праймер эти
полимеразы получили название праймаз).
Длина праймеров составляет 10-12 нуклеотидов.
Праймеры синтезируются на обеих цепях.

2.
Далее праймер
достраивается ДНК-полимеразой
– III.
Т.к. все
ДНК-полимеразы формируют дочерние цепи
в одном направлении 5’

3’, то
одна цепь синтезируется
непрерывно
(лидирующая, ведущая цепь),
а другая — прерывисто
(отстающая).ДНК-полимераза
формирует димер, связанный с другими
необходимыми в репликативной вилке
белками (реплисома). Одна из цепей
матричной ДНК (отстающая), временно
образует петли вокруг реплисомы так,
что димер ДНК-полимеразы получает
возможность перемещаться по обеим цепям
в одном 3′ 
5 ‘ направлении одновременно. Короткие
(до 1000 пар нуклеотидов) отрезки ДНК,
образующиеся на отстающей цепи, получили
название фрагментов
Оказаки по
имени Ф. Оказаки, впервые (1968) указавшего
на прерывистый характер синтеза
ДНК. 3.Так как репликативная вилка
довольно быстро (1000 нулеотидов в сек)
продвигается по матрице, вновь
синтезируемые дочерние цепи и родительские
цепи матрицы сразу формируют двойные
спирали ДНК. Предполагается, что только
маленький отрезок матричной двойной
спирали находится в одноцепочечном
состоянии в данный отрезок времени.

3.
Праймеры ведущей и отстающей цепей
(10-12 пар нуклеотидов) удаляются ДНК
полимеразой I,
обладающей репарирующей функцией с
одновременной заменой рибонуклеотидов
дезоксирибонуклеотидами.

4.
Промежутки, которые возникают между 3
‘-ОН и 5 ‘- фосфатом, «сшиваются» лигазами
ДНК, завершая
тем самым процесс репликации.

Репликация (редупликация) ДНК

Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным.

«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.

В репликации участвуют следующие ферменты:

1. геликазы («расплетают» ДНК);
2. дестабилизирующие белки;
3. ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
4. ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
5. РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
6. ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).

С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка. При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.

ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3′-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3′-конца к 5′-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3’–5′ синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей. На цепи 5’–3′ — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей).

Купить проверочные работы по биологии

Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.

Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон.

Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.

Определение возможных стекинг-взаимодействий

В файле .out (результат работы analyze) были найдены величины площади «перекрывания» колец двух последовательных пар азотистых оснований. Максимальная суммарная такая площадь в исследуемой тРНК составляет 7.11Ų (пары 20-21: GC/AC), а минимальная (не считая полного несовпадения) — 0.21Ų (пары 21-22: CG/CA). С помощью последовательного применения программ ex_str — вырезает из staking.pdb определённую пару нуклеотидов, stack2img — pdb преобразовывает в .ps и ps2pdf — преобразовывает .ps в .pdf, были получены стандартные изображения стекинг-взаимодействия для описанных выше пар нуклеотидов; они представлены на и для максимального и минимального перекрытия соответсвенно.

Рис. 18 Перекрытие пар 21 (сверху) и 20 (снизу)
Рис. 19 Перекрытие пар 22 (сверху) и 21 (снизу)

Молекула ДНК – что нужно знать?

ДНК в каждой клетке человека содержит один и тот же код, но у каждого человека он свой. Это уникальный код ДНК, по которому можно идентифицировать самого человека и его детей. Мы получаем свой код ДНК от наших биологических родителей в равных количествах – по 25% от каждого из родителей. Остальные 50% это наш личный код. Поэтому у родных братьев и сестер ДНК совпадают на 50%, что помогает при помощи теста легко это определить.

Напомню, что в клетке человека содержится 46 хромосом. Если попробовать размотать каждую хромосому и расположить ее от начала к концу, то в результате получится длинная двухцепочечная спираль ДНК длиной около 3 метров – и все это из одной микроскопической человеческой клетки. Спираль ДНК выглядит как винтовая лестница. «Ступени» состоят из четырех нуклеотидов: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). Расположение этих молекул называется последовательностью ДНК, которая определяет все индивидуальные характеристики организма. Это генетический код в котором записано, когда, сколько и каких белков будет произведено в нашем теле – начиная от формирования в виде эмбриона до самой смерти. По сути, это инструкции, которые определяют наши физические характеристики и функции организма. Эти инструкции содержатся в единицах, называемых генами.

Состав

Оно считается крайне сложным эфиром, относящимся к группе кислот фосфора и нуклеозидов, которые по своим биохимическим свойствам относятся к числу N-гликозидов и содержат гетероциклические фрагменты, связанные с молекулами глюкозы и атомом азота.

В природе наиболее распространенными являются нуклеотиды ДНК.

Кроме этого, еще различают органические вещества с похожими характеристиками строения: рибонуклеотиды, а также дезоксирибонуклеотиды. Все они без исключения являются мономерными молекулами, относящимися к сложным по строению биологическим веществам полимерного типа.

Из них формируется РНК и ДНК всех живых существ, начиная от простейших микроорганизмов и вирусных инфекций, заканчивая человеческим организмом.

Остаток молекулярной структуры фосфора среди нуклеозидфосфатов, образует эфирную связь с двумя, тремя, а в некоторых случаях сразу с пятью гидроксильными группами. Практически все без исключения нуклеотиды относятся к числу эфирных веществ, которые образовались из остатков ортофосфорной кислоты, поэтому их связи устойчивы и не распадаются под воздействием неблагоприятных факторов внутренней и внешней среды.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение.

ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни человека.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы.

Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи).

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей.

Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух параллельных неразветвленных полинуклеотидных цепей, закрученных в противоположные стороны вокруг общей оси.

Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали, а остатки фосфата и дезоксирибозы – снаружи.

Две спирали удерживаются вместе водородными связями между парами азотистых оснований. Водородные связи образуются между определенными основаниями: тимин (Т) образует водородные связи только с аденином (А), а цитозин (Ц) – только с гуанином (Г). В первой паре азотистых оснований две водородные связи, а во второй – три.

Такие пары оснований называются комплементарными парами. А такое пространственное соответствие молекул, способствующее их сближению и образованию водородных связей, называется комплементарностью. Комплементарность обусловливает спиралевидную модель ДНК.

Две спирали в молекуле ДНК комплементарны друг другу. Последовательность нуклеотидов в одной из спиралей определяет последовательность нуклеотидов в другой.

В каждой паре оснований, связанных водородными связями, одно из оснований – пуриновое, а другое пиримидиновое. Общее число остатков пуриновых оснований в молекуле ДНК равно числу остатков пиримидиновых оснований.

Таким образом,

• ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А),
• ЦИТОЗИН (Ц) комплементарен ГУАНИНУ (Г).

Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой главной функции ДНК – хранения и передачи наследственных признаков.

Репликация ДНК

Двухспиральная структура ДНК с комплементарными полинуклеотидными цепями обеспечивает возможность самоудвоения (репликации) этой молекулы.

Перед удвоением водородные связи разрываются, и две цепи раскручиваются и расходятся. Каждая цепь затем служит матрицей для образования на ней комплементарной цепи.

После разделения цепей происходит саморепликация, т.е. образование новой двойной спирали, идентичной исходной.

После репликации образуются две дочерние молекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль взята из родительской ДНК, а другая (комплементарная) синтезирована заново.

Таким образом, сохраняется и передается новому поколению исходная структура ДНК.

Длина полинуклеотидных цепей ДНК практически неограничена. Число пар оснований в двойной спирали может меняться от нескольких тысяч у простейших вирусов до сотен миллионов у человека.

Видеофильм «ДНК. Код Жизни»

Рубрики: Нуклеиновые кислоты

Использование в медицине

Открытие того из чего состоит молекула ДНК дало толчок к развитию множества новых услуг и направлений экспериментальной медицины. Благодаря новым технологиям, которые стали возможны вследствие исследования генома, сегодня почти любому доступны:

1.      Диагностика заболеваний на сверхранней стадии. Анализ позволяет выявить инфекцию, даже если заболевание находится в инкубационном периоде, и нет ни каких симптомов.
2.      Определение отцовства. Так же материнства и прочих родственных связей. При этом различные тесты можно проводить, как с участием потенциальных родителей, так и без них.
3.      Тестирование на непереносимость пищевых продуктов. Какие вещества хорошо усваиваются организмом, какие плохо или не усваиваются вовсе, что вызывает аллергические реакции – всё это расскажут результаты индивидуального исследования.
4.      Анализ этнической принадлежности – с какими народами перекрещивались далекие предки, и какие национальности формируют вас сегодня.
5.      Исследование на наличие наследственных заболеваний, в том числе и спящих, которые передаются через поколение и более.

И это только самые востребованные тесты, имеющие коммерческий интерес и полезные для простого обывателя. Если говорить о перспективах лабораторных научных исследований, то многие учёные-генетики не без энтузиазма готовятся совершить самое великое открытие за всю человеческую историю — победить болезни и саму смерть.

Состав полимерной цепи нуклеиновых кислот.

Полимерная цепь нуклеиновых кислот собрана из фрагментов фосфорной кислоты Н₃РО₃ и фрагментов гетероциклических молекул, представляющих собой производные фурана. Есть лишь два вида нуклеиновых кислот, каждая построена на основе одного из двух типов таких гетероциклов – рибозы или дезоксирибозы (рис. 1).

Рис. 1. СТРОЕНИЕ РИБОЗЫ И ДЕЗОКСИРИБОЗЫ.

Название рибоза (от лат. Rib – ребро, скрепка) имеет окончание – оза, что указывает на принадлежность к классу сахаров (например, глюкоза, фруктоза). У второго соединения нет группы ОН (окси-группа), которая в рибозе отмечена красным цветом. В связи с этим втрое соединение называют дезоксирибозой, т.е., рибоза, лишенная окси-группы.

Полимерная цепь, построенная из фрагментов рибозы и фосфорной кислоты, представляет собой основу одной из нуклеиновых кислот –рибонуклеиновой кислоты (РНК). Термин «кислота» в названии этого соединения употреблен потому, что одна из кислотных групп ОН фосфорной кислоты остается незамещенной, что придает всему соединению слабокислый характер. Если вместо рибозы в образовании полимерной цепи участвует дезоксирибоза, то образуется дезоксирибонуклеиновая кислота, для которой повсеместно принято широко известное сокращение ДНК.

Структура РНК

во многом напоминает ДНК, отличие в том, что в основной цепи фрагменты фосфорной кислоты чередуются с рибозой, а не с дезоксирибозой (рис.). Второе отличие – к боковому обрамлению присоединяется гетероцикл урацил (У) вместо тимина (Т), остальные гетероциклы А, Г и Ц те же, что у ДНК. Урацил отличается от тимина отсутствием метильной группы, присоединенной к циклу, на рис. 10 эта метильная группа выделена красным цветом.

Рис. 10. ОТЛИЧИЕ ТИМИНА ОТ УРАЦИЛА – отсутствие у второго соединения метильной группы, выделенной в тимине красным цветом.

Фрагмент молекулы РНК показан на рис. 11, порядок следования группировок А, У, Г и Ц, а также их количественное соотношение может быть различным.

Рис.11. ФРАГМЕНТ МОЛЕКУЛЫ РНК. Основное отличие от ДНК – наличие группировок ОН в рибозе (красный цвет) и фрагмента урацила (синий цвет).

Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК. Дополнительное отличие в том, что молекулы РНК не объединяются в двойные спирали, состоящие из двух молекул, а обычно существуют в виде одиночной молекулы, которая на некоторых участках может образовывать сама с собой двухцепные спиральные фрагменты, чередующиеся с линейными участками. На спиральных участках взаимодействие пар соблюдается также строго, как в ДНК. Пары, связанные водородными связями и формирующие спираль (А—У и Г—Ц), возникают на тех участках, где расположение групп оказывается благоприятным для такого взаимодействия (рис. 12).

Для подавляющего большинства живых организмов количественное содержание пар А—У больше чем Г—Ц, у млекопитающих в 1,5–1,6 раза, у растений – в 1,2 раза. Существует несколько типов РНК, роли, которых в живом организме различны.

Как и для чего делают ДНК тест?

Так как ДНК содержится в каждой клетке нашего тела, изучая генетический материал – кровь, кожу, волосы, слюну и т.п. – с помощью принципов микробиологии – ученые могут узнать владельца конкретной ДНК. Однако для получения точных результатов специалисты советуют сдать кровь из вены. Сегодня анализ ДНК позволяет определить наследственную предрасположенность к разным заболеваниям, которыми страдали или страдают родственники человека. Одним из таких заболеваний является шизофрения – в своей предыдущей статье я подробно рассказывала о том, почему эту болезнь так сложно лечить и изучать.

Более того, проанализировав ДНК специалисты могут рассказать о том, какие заболевания могут возникнуть у человека в будущем, определить индивидуальную непереносимость лекарств, склонность к наркомании и алкоголизму и многое другое.

ДНК есть у всех живых организмов.

Наиболее распространенным тестом ДНК является метод полимеразной цепной реакции или ПЦР. На сегодняшний день это один из новейших и наиболее точных способов диагностики. Несмотря на то, что этот метод до сих пор считается экспериментальным, он широко и успешно применяется в медицине. Так, большинство тестов на наличие/отсутствие в организме нового коронавируса SARS-CoV-2, которые проводятся во всем мире, являются именно ПЦР-тесты. Метод ПЦР в 1993 году разработал ученый Кэри Муллис, который получил за свое открытие Нобелевскую премию. Суть метода заключается в применении особых ферментов, которые много раз копируют фрагменты ДНК возбудителей болезни (как, например, с коронавирусом) которые можно обнаружить в пробах генетического материала, например в крови. Затем специалисты сверяют полученные фрагменты с базой данной, что позволяет выявить тип возбудителя болезни и его количество в организме.

Так выглядит амплификатор

Однако выявление и определение склонности к заболеваниям не является единственной областью, в которой прибегают к использованию тестов ДНК. Так, появление ДНК-тестов – как в свое время дактилоскопия (метод определения отпечатков пальцев) – изменило криминалистику. Благодаря анализу ДНК следователи имеют возможность собрать генетический материал преступника и поймать его. Но самое популярное использование ДНК-тестов – определение отцовства. Возможно дело в том, что этот анализ позволяет получить практически 100% результат. Недавно мой коллега Николай Хижняк в своей статье подробно рассказал о будущих возможностях исследования ДНК, рекомендую к прочтению.

Подводя черту отмечу, что сегодня загадка кода ДНК еще не раскрыта. Мы стоим в самом начале познания, что же это такое на самом деле? Приоткрыв небольшую щелочку двери мы можем только догадываться о том, какие перспективы в будущем для человека может открыть понимание что такое ДНК и как мы можем использовать эти знания!

Строение и функции ДНК

ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.

Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.

Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.

Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.

Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3′-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5′-углеродом (его называют 5′-концом), другой — 3′-углеродом (3′-концом).

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности. Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа»), но объяснить этот факт он не смог.

Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3′-конца одной цепи находится 5′-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.

Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.

История

В домолекулярной генетике для обозначения наименьшего элемента в структуре ДНК, который может быть подвержен спонтанной или индуцированной мутации, применялся особый термин рекон. В настоящее время показано, что таким наименьшим элементом является один нуклеотид (или одно азотистое основание в составе нуклеотида), поэтому данный термин более не употребляется. Для определения понятия единица мутации применялся термин мутон. В настоящее время показано, что фенотипически мутация может проявиться даже при замене одного нуклеотида (или азотистого основания в составе нуклеотида), таким образом, термин мутон соответствует одному нуклеотиду.

Строение ДНК в разных формах

Молекула ДНК может в зависимости от условий существовать в разных формах. Наиболее распространой является В-форма. В этой форме находится основная часть ДНК в клетках. При такой организации плоскости азотистых оснований практически перпендикулярны оси двойной спирали, и каждая пара повёрнута относительно предыдущих на 36o. На один виток спирали приходится примерно 10 нуклеотидных пар (9,7 и 10,6 в различных кристаллах)(2), а длина составляет 3,4 нм.

Диаметр двойной спирали В-форме (расстояние между атомами фосфора одной комплементарной пары) составляет 2 нм, причём пуриновые нуклеотиды занимают 3/5 этого расстояния, а пиримидиновые — 2/5. Глубина большой бороздки составляет 0,85 нм, а малой — 0,75 нм. При этом ширина большой бороздки достигает 1,2 нм, что приблизительно в два раза больше ширины малой бороздки (3).

Установлено, что понижение относительной влажности при добавлении неэлектролитов (например, этанола) способствует переходу ДНК из В формы в А-форму.

Это сопровождается изменением С2’-эндо конформации молекул дезоксирибозы на С3’-эндо конформацию. При этом плоскости азотистых оснований отклоняются от оси спирали примерно на 13. На один виток в этой форме приходится чуть меньше 11 нуклеотидных пар (4).

• A-ДНК, вид сбоку

• A-ДНК, вид с торца

Существенным отличием А-формы от В-формы является то, что в А-форме пары оснований сдвинуты к периферии спирали почти на половину её радиуса, в результате чего пространство вдоль оси оказывается пустым. Большая бороздка при этом становится глубже и уже, а малая бороздка оказывается шире и более плоской (5). ДНК может переходить в А-форму не только при пониженной относительной влажности, но и в составе гетеродуплекса с молекулами РНК, для которой А-форма оказывается более устойчивой из-за наличия дополнительной группы ОН- рибозы. Таким образом, в клетке А-форма ДНК всегда образуется во время транскрипции, обратной транскрипции и при отжиге РНК-праймеров в ходе репликации.

• Z-ДНК, вид сбоку

• Z-ДНК, вид с торца

Помимо В-формы и А-формы встречается также Z-форма (нижнее изображение) двуцепочечной ДНК. В отличие от первых двух, она представляет собой левозакрученную спираль с длиной витка 4,4 нм, на который приходится 12 нуклеотидных пар. В эту форму при понижении влажности или увеличении концентрации солей чаще всего переходят участки молекулы, богатые CpG-повторами. Наличие ДНК в Z-форме характерно для некоторых энхансеров (6, 7). Также Z-форма может образовываться за работающей РНК-полимеразой в результате отрицательной сверхспирализации молекулы.

Описаны также и другие формы организации двойной спирали ДНК — Н-форма, B’-форма, С-форма и D-форма. Однако они встречаются гораздо реже и играют менее значительную физиологическую роль.

На изображениях антипараллельные цепи окрашены серым и красным цветами. Сахарофосфатный остов имеет более темные оттенки.

Показать ссылки