Гены, днк и рнк: понятие, структура, репликация, мутации

ДНК

ДНК – это генетический проект живого организма, в котором хранится вся информация и из которого может быть передана вся информация. Имеет отличительный двойная спираль Форма – две отдельные нити, которые сплетаются друг с другом. Нить ДНК намного длиннее, чем у единственной нити РНК. Это потому, что каждая нить ДНК в каждом клетка содержит план для всего организма. Дезоксирибонуклеиновая кислота находится в основном в ядре

Тем не менее, ДНК в гораздо более короткой версии также можно найти в митохондрии (мтДНК), где он поставляет гены, необходимые для производства аденозинтрифосфата, наиболее важного источника клеточной энергии

Любая клетка с ядром содержит нуклеиновую кислоту в форме ДНК. Существуют различные исключения из правила. Некоторые клетки теряют свое ядро ​​и ДНК в процессе старения, такие как зрелый красный кровь клетки, корнеоциты и кератиноциты. Тромбоциты крови иногда упоминаются как не содержащие ни ядра, ни ДНК; однако тромбоциты представляют собой фрагменты мегакариоцитов и не считаются действительными клетками. Одноклеточные организмы (прокариоты), такие как бактерии не имеют ядра, но содержат свободные нити ДНК в цитоплазма, как показано ниже.

Структура нуклеиновой кислоты ДНК

Структура ДНК, всемирно признанной двойной спирали, основана на двух нитях сахарофосфатного остова, удерживаемых вместе азотистыми базовыми веретенами. ДНК содержит четыре азотистых основания или нуклеиновых основания: аденин, тимин, цитозин и гуанин. Это природные соединения, которые дают каждому нуклеотид Его название и подразделяются на две группы – пиримидины и пурины. В то время как пиримидиновые цитозин, тимин и урацил (см. РНК) представляют собой небольшие конструкции с одним кольцом, аденин и гуанин имеют более крупные и двойные кольца. Это различие в форме и размерах и последующее различие в электрическом заряде является важным, поскольку оно допускает только конкретные дополнительные пары между различными типами групп; в ДНК аденин будет связываться только с тимином, а цитозин будет связываться только с гуанином. Это создает азотистые базовые шпиндели одинаковой длины и зеркальное отображение на противоположной нити.

Форма двойной спирали ДНК обусловлена ​​формой нуклеотидов мономера. Когда асимметричные молекулы сложены одна поверх другой, часто получается спираль. В ДНК каждая нить идет параллельно друг другу или в противоположных направлениях.

Нуклеотидный мономер, который составляет единственное звено цепи полимера ДНК, образован из нуклеиновой основы, фосфатной группы и пятиуглеродного (пентозного) сахара, называемого 2-дезоксирибоза, «Дезокси» относится к потере атома кислорода по отношению к другой форме пентозного сахара, известной как рибоза (см. РНК). Этот недостаток атома кислорода также играет роль в спиральной структуре ДНК. На следующем изображении показана разница в химической структуре этих двух пентозных сахаров

Обратите внимание на отсутствие красной молекулы кислорода на втором углероде дезоксирибозы слева

Дезоксирибоза ковалентно связывается с фосфатной группой. Это производит цепь, известную как сахарно-фосфатный остов. Эта структура оставляет каждое нуклеотидное основание открытым и свободным для связи с правильным нуклеотидным основанием на противоположной цепи.

ДНК

Молекула ДНК — это двухцепочечная спираль, закрученная вокруг собственной оси.

В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между фосфатной группой одного нуклеотида и 3′-спиртовой группой пентозы другого. Такие связи называются фосфодиэфирными. Фосфатная группа образует мостик между 3′-углеродом одного пентозного цикла и 5′-углеродом следующего.

Остов цепей ДНК образован, таким образом, сахарофосфатными остатками.

Полинуклеотидная цепь ДНК закручена в виде спирали, напоминая винтовую лестницу и соединена с другой, комплементарной ей цепью с помощью водородных связей, образующихся между аденином и тимином (две связи), а также гуанином и цитозином (три связи). Нуклеотиды А и Т, Г и Ц называются комплементарными. В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых — числу цитидиловых. Эта закономерность получила название «правило Чаргаффа». Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы.

Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены, т. е., если одна цепь имеет направление от 3′-конца к 5′-концу, то в другой цепи 3′-концу соответствует 5′-конец и наоборот. Это свойство биспирали ДНК называется антипараллельностью.

Впервые двухцепочечная модель молекулы ДНК была предложена в 1953 г. американским ученым Дж. Уотсоном и англичанином Ф. Криком. Он объединил данные Э. Чаргаффа о соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований молекул ДНК и результаты рентгеноструктурного анализа, полученные М. Уилкинсом и Р. Франклин. За разработку двухспиральной модели молекулы ДНК Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии.

ДНК — самые крупные биологические молекулы. Их длина составляет от 0,25 мм — у некоторых бактерий до 40 мм — у человека. Это значительно больше самой крупной молекулы белка, которая в развернутом виде достигает не более 100-200 нм. Масса молекулы ДНК составляет 6 ∙ 10-12 г.

Диаметр молекулы ДНК — 2 нм, шаг спирали — 3,4 нм; каждый виток спирали содержит 10 пар нуклеотидов. Спиральная структура поддерживается многочисленными водородными связями, возникающими между комплементарными азотистыми основаниями, и гидрофобными взаимодействиями. Молекулы ДНК эукариотических организмов линейны. У прокариот ДНК, напротив, замкнута в кольцо и не имеет ни 3′-, ни 5′-концов.

Подобно белкам при изменении условий ДНК может подвергаться денатурации, которая называется плавлением. При постепенном возврате к нормальным условиям ДНК ренатурирует.

Функции ДНК

Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В ДНК любой клетки закодирована информация о всех белках данного организма, о том, какие белки и в какой последовательности будут синтезироваться.

Матричные РНК

Клетка следует генетическому коду в процессе транскрипции, во время которой ДНК «расстёгивается», как при описанном выше делении клетки. Однако в этом случае репликации не происходит, а закодированные в цепи ДНК инструкции передаются матричной, или информационной, рибонуклеиновой кислоте (мРНК), молекула которой подобна молекуле ДНК, но содержит другой сахар — рибозу. Кроме того, у неё иная комбинация оснований: те же пурины, что и у ДНК (аденин и гуанин), но, в отличие от последнего, здесь основание урацил заменяет пиримидиновое основание тимин.

После окончания синтеза цепь мРНК переходит из ядра в органоиды клетки — рибосомы. Здесь белки формируются из аминокислот, которые кодируются в молекуле мРНК в процессе трансляции. Фактически при синтезе белков используется РНК другого типа — транспортная (тРНК). Эта молекула соединяется с каждой отдельной аминокислотой, образуя всё удлиняющуюся цепь, которая затем становится новой молекулой белка.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК): строение

Роль хранителя наследственной информации у всех клеток — животных и растительных — принадлежит ДНК.

Схема строения ДНК изображена на рисунке 74. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити.

Ширина такой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч раз больше — она достигает сотен тысяч нанометров.

Между тем самые крупные белковые молекулы в развернутом виде достигают в длину не более 100 — 200 нм.

Таким образом, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул.

Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика — она достигает десятков и даже сотен миллионов.

Обратимся к структуре ДНК. Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды.

Нуклеотид — это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода (моносахарида — дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.

ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены на рисунке рисунке 75.

Как видно, у всех четырех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.

Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют; нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином (Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц).

По размерам А равен Г, а Т равен Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц.

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью — рисунок 76.

Итак, каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Рассмотрим теперь, как располагаются относительно друг друга нити ДНК, когда образуется двойная спираль, и какие силы удерживают их рядом.

Представление об этом дает рисунок рисунок 77, на котором изображен небольшой участок двойной спирали.

Как видно, азотистые основания одной цепи «стыкуются» с азотистыми основаниями другой. Основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи.

В расположении стыкующихся нуклеотидов имеется важная закономерность, а именно: против А одной цепи всегда оказывается Т на другой цепи, а против Г одной цепи — всегда Ц.

Оказывается, что только при таком сочетании нуклеотидов обеспечивается, во-первых, одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и, во-вторых, образование между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей (три водородные связи между Г и Ц и две водородные связи между А и Т).

В каждом из этих сочетаний оба нуклеотида как бы дополняют друг друга. Слово «дополнение» на латинском языке «комплемент». Принято поэтому говорить, что Г является комплементарным Ц, а Т комплементарен А.

Если на каком-нибудь участке одной цепи ДНК один за другим следуют нуклеотиды А, Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся комплементарные им Т, Ц, Г, А, Т, Г, Г.

Таким образом, если известен порядок следования нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности сразу же выясняется порядок нуклеотидов в другой цепи.

Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость и в то же время сохраняет ее подвижность: под влиянием фермента дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в ядре клетки, а также в митохондриях и хлоропластах.

В ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками.

Роли РНК в клетке

Рибонуклетновые кислоты подобны ДНК, но имеет несколько основных химических различий.

• Она содержит дисахарид рибозу, связанный с гидроксильной группой (в ДНК гидроксильную группу заменяет атом водорода);
• В молекуле РНК используется урацил вместо тимина. Урацил имеет сходную с тимином структуру, за исключением того, что один из его углеродов не имеет метильной группы (- CH3 ).
• РНК производится путём транскрипции с участка ДНК, не образует двойной спирали, но содержит короткие участки со спаренными основаниями. Это приводит к тому, что при двумерном изображении она напоминает шпильки и петли, форму кленового листа (у тРНК).

Все виды РНК синтезируются на определенных участках одной из цепей ДНК. Такой синтез получил название матричного, так как молекула ДНК является матрицей (т. е. образцом, моделью) для синтеза молекул РНК.

Роль РНК в клетке разнообразна:

• она несёт информацию в виде матричной, или информационной РНК (мРНК, или иРНК). Матричные РНК наиболее разнообразны по структуре и размерам. Одна молекула содержит информацию об одном белке. В ходе синтеза белка на рибосомах она служит матрицей, поэтому биосинтез белка относится к матричным процессам. Содержание иРНК составляет 3-5% всех РНК клетки;
• входит в состав рибосомы в форме рибосомальной РНК (рРНК). рРНК составляет 80% всех РНК клетки. В соединении с белками они образуют одномембранные органоиды рибосомы, и участвуют в синтезе белков из аминокислот;
• переносит аминокислоты в виде трансферной, или транспортной РНК (тРНК) составляет около 15 % всех клеточных РНК. Молекулы тРНК сравнительно небольшие (в среднем состоят из 80 нуклеотидов). Благодаря формированию внутримолекулярных водородных связей молекула тРНК приобретает характерную пространственную структуру, называемую клеверным листом.

В последнее время у РНК были обнаружены ферментативные функции, а отдельная её форма включает регуляцию экспрессии генов.

Усиление катящегося круга

Молекулярный механизм усиления катящегося круга (RCA)

Производная форма репликации по катящемуся кругу успешно использовалась для амплификации ДНК из очень небольших количеств исходного материала. Этот метод усиления называется усилением по скользящему кругу (RCA). В отличие от традиционных методов амплификации ДНК, таких как полимеразная цепная реакция (ПЦР) , RCA — это метод изотермической амплификации нуклеиновых кислот, при котором полимераза непрерывно добавляет отдельные нуклеотиды к праймеру, отожженному к круговой матрице, что приводит к длинной конкатемерной оцДНК, содержащей от десятков до сотен тандемных повторов (дополняющих круговой шаблон).

Для проведения реакции RCA необходимы пять важных компонентов:

1. ДНК-полимераза
2. Подходящий буфер, совместимый с полимеразой.
3. Короткий праймер для ДНК или РНК
4. Круглый шаблон ДНК
5. Дезоксинуклеотидтрифосфаты (дНТФ)

Методы обнаружения продукта RCA

Полимеразы, используемые в RCA, — это экзо- ДНК-полимераза Phi29 , Bst и Vent для амплификации ДНК и РНК-полимераза T7 для амплификации РНК. Поскольку ДНК-полимераза Phi29 имеет лучшую процессивность и способность замещения цепей среди всех вышеупомянутых полимераз, она наиболее часто используется в реакциях RCA. В отличие от полимеразной цепной реакции (ПЦР), RCA можно проводить при постоянной температуре (от комнатной температуры до 65 ° C) как в свободном растворе, так и на иммобилизованных мишенях (твердофазная амплификация).

Обычно реакция RCA ДНК включает три этапа:

1. Циркулярное лигирование матрицы, которое можно проводить посредством ферментативного лигирования, опосредованного матрицей (например, ДНК-лигаза Т4), или лигирования без матрицы с использованием специальных ДНК-лигаз (например, CircLigase).
2. Праймер- индуцированное удлинение одноцепочечной ДНК. Для гибридизации с одним кругом можно использовать несколько праймеров. В результате может быть инициировано несколько событий амплификации, в результате чего будет получено несколько продуктов RCA («Multiprimed RCA»).
3. Обнаружение и визуализация продуктов амплификации, которые чаще всего проводятся с помощью флуоресцентного обнаружения, с помощью флуорофор-конъюгированного dNTP, связанных с флуорофором комплементарных или флуоресцентно меченных молекулярных маяков . Помимо флуоресцентных подходов, гель-электрофорез также широко используется для обнаружения продукта RCA.

RCA производит линейную амплификацию ДНК, поскольку каждая кольцевая матрица растет с заданной скоростью в течение определенного времени. Для увеличения выхода и достижения экспоненциальной амплификации, как это делает ПЦР, было исследовано несколько подходов. Одним из них является амплификация с гиперразветвленным катящимся кругом или HRCA, когда добавляются и удлиняются праймеры, которые отжигаются с исходными продуктами RCA. Таким образом, исходный RCA создает больше шаблонов, которые можно усилить. Другой — круговая амплификация или C2CA, где продукты RCA перевариваются рестрикционным ферментом и лигируются в новые кольцевые матрицы с использованием рестрикционного олиго, за которым следует новый цикл RCA с большим количеством кольцевых матриц для амплификации.

Гены

Определённые последовательности пар оснований молекулы ДНК в хромосомах образуют гены. Эти единицы наследственности определяют, что новое поколение унаследует от своих предков. Например, конкретный ген отвечает за цвет глаз человека или окраску цветка у растений. Эти структуры также регулируют клеточную активность — они определяют, какие белки и когда формируются, а также количество и тип белков.

Разные клетки содержат одинаковые наборы генов, но только отдельные гены активны в каждой клетке. Так, мышечная клетка содержит те же гены, что и клетка мозга, но использует только те, что необходимы для её нормального функционирования.

Нуклеиновые кислоты – полимерные молекулы

Нуклеиновые кислоты — самые крупные нерегулярные полимерные органические молекулы, носящие название полинуклеотидов. Обычно ДНК намного крупнее РНК. Их мономерами являются нуклеотиды (нуклеозиды, дезоксинуклеозиды и др.). Каждый из них состоит из трёх компонентов:

• пентозы, или пятиуглеродного сахара (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК);
• фосфатной группы – остатка фосфорной кислоты (—PO 4 -);
• азотистого основания.

Строение нуклеотида

Азотистые основания — это ароматические гетероциклические соединения, производные пиримидина или пурина. Нуклеотиды имеют пять основных типов азотистых оснований. Двухкольцевые пуриновые: аденин (Аde) и гуанин (Gua). Каждое из них содержится как в ДНК, так и в РНК. Остальные три основания представляют собой однокольцовые молекулы, производные пиримидина: цитозин (Cyt — есть как в ДНК, так и в РНК), тимин (Thy — только в ДНК), урацил (Ura — только в РНК).

Аденин и рибоза образуют нуклеозид аденозин (A), производные других азотистых оснований носят названия: гуанозин (G, Г), уридин (U, У), тимидин (Т), цитидин (C, Ц). При соединении азотистых оснований с дезоксирибозой образуются дезоксинуклеозиды. Все нуклеозидфосфаты объединяют под общим названием — нуклеотиды.

Строение пурина и пуриновых азотистых основанийСтроение пиримидина и пиримидиновых азотистых оснований

Нуклеиновые кислоты образуются путём реакции обезвоживания (конденсации, или дегидрации) между фосфатной группой одного нуклеотида и гидроксильной группой пентозы другого нуклеотида. Так получается фосфодиэфирная связь, объединяющая два углевода через фосфат.

В молекуле нуклеотида азотистое основание присоединено к первому атому углерода пентозы, а остаток фосфорной кислоты — к пятому. Получающаяся полинуклеотидная цепь полярна, она имеет два конца:

• 5′ (пять-штрих положение) — углеродный атом в пятичленном моносахариде — рибозе или дезоксирибозе;
• 3´ (три-штрих положение) — гидроксильная группа, взятая от углевода (ОН).

Эти концы в двойной спирали ДНК соединяются через фосфатную группу по типу голова-хвост (3′ к 5′) по принципу комплементарности, азотистыми основаниями внутрь спирали. Такая ориентация цепей называется антипараллельной.

Знаете ли вы?

• Если вытянуть в линию ДНК всего лишь одной клетки человека, получится отрезок длиной 2 метра. Ширина ДНК составляет триллионные доли сантиметра, но её длина в миллионы раз превышает диаметр ядра клетки.
• ДНК каждой клетки человека содержит около 3,3 млрд. пар оснований. Комбинации этих пар образуют гены различной величины. Длина некоторых из них равна длине примерно 1000 пар оснований, а других — до 2 миллионов пар.

ДНК человека почти идентична в каждой клетке его организма. Но есть два важных исключения из этого общего правила. Первое из них — эритроциты: у этих клеток нет ядра. Второе исключение — половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды). В них содержится вдвое меньшее количество ДНК по сравнению с другими клетками. В процессе размножения половые клетки объединяются для обеспечения полного комплекта ДНК (набора хромосом) у будущего зародыша.

Рибонуклеиновая кислота (РНК)

Состав РНК:

■ пятиуглеродный сахар рибоза,

■ азотистые основания (аденин, гуанин, урацил, цитозин),

■ остаток фосфорной кислоты.

Структура РНК (см. рис. 1.3):

■ молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки;

■ нуклеотиды в каждой цепочке РНК связаны друг с другом ковалентными фосфодиэфирными связями;

■ кроме того, между соседними нуклеотидами цепочки могут образовываться водородные связи;

* цепочки РНК значительно короче молекул ДНК, имеют меньшую молярную массу.

Виды РНК:

■ информационная РНК (и-РНК),

■ транспортная РНК (т-РНК),

■ рибосомальная РНК (р-РНК).

Информационная РНК (составляет 7 — рибозофосфатная основа около 5% от всех РНК клетки):

■ структура: незамкнутая цепь, содержащая от 300 до 30000 нуклеотидов; является комплементарной копией определенного участка ДНК (гена);

* функции: каждая специфическая молекула и-РНК переносит информацию о структуре определенного белка от ДНК в рибосомы (место сборки молекул белков) и является матрицей для синтеза молекул этого белка.

Транспортная РНК (составляет до 15% от всех РНК клетки):

■ структура: содержит 75-85 нуклеотидов; молекула т-РНК имеет вторичную структуру в форме «клеверного листа» (из-за наличия водородных связей) и два активных участка: антикодонтриплет нуклеотидов на верхушке «клеверного листа», и акцепторный конец, к которому присоединяются аминокислоты;

■ функция т-РНК — транспорт аминокислот в рибосому к месту сборки молекул белка.

❖ Рибосомальная РНК (составляет до 85% от всех РНК клетки):

■ место синтеза: молекулы р-РНК синтезируются в ядре клетки;

■ локализация: в комплексе с белками образует рибосомы — ор-ганеллы, на которых происходит синтез белка;

■ функция р-РНК — обеспечение нужного пространственного взаимного расположения и-РНК и т-РНК в рибосоме.

РНК

Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза. Вместо тимидилового нуклеотида (Т) входит уридиловый (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), но в этом случае речь идет о внутрицепочечном соединении комплементарных нуклеотидов.

Цепочки РНК значительно короче ДНК.

Виды РНК

В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям.

Информационная (матричная) РНК — мРНК — наиболее разнородная по размерам и структуре. мРНК представляет собой незамкнутую полинуклеотидную цепь. Она синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы по принципу комплементарности участку ДНК, отвечающего за кодирование данного белка. мРНК выполняет важнейшую функцию в клетке. Она служит в качестве матриц для синтеза белков, передавая информацию об их структуре с молекул ДНК. Каждый белок клетки кодируется специфичной ему мРНК.

Рибосомная РНК — рРНК. Это одноцепочечные нуклеиновые кислоты, которые в комплексе с белками образуют рибосомы — органеллы, на которых происходит синтез белка. Информация о структуре рРНК закодирована в участках ДНК, расположенных в области вторичной перетяжки хромосом. На долю рРНК приходится 80 % всей РНК клетки, поскольку клетки содержат большое количество рибосом. рРНК обладают сложной вторичной и третичной структурой, образуя петли на комплементарных участках, что приводит к самоорганизации этих молекул в сложное по форме тело. В состав рибосом входят 3 типа рРНК — у прокариот и 4 типа рРНК — у эукариот.

Транспортная (трансферная) РНК — тРНК. Молекула тРНК состоит в среднем из 80 нуклеотидов. Содержание тРНК в клетке — около 15 % всей РНК. Функция тРНК — перенос аминокислот к месту синтеза белка и участие в процессе трансляции. Число различных типов тРНК в клетке невелико (около 40). Все они имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечным водородным связям молекула тРНК приобретает характерную вторичную структуру, называемую клеверным листом.

Трехмерная же модель тРНК выглядит несколько иначе. В тРНК выделяют четыре петли: акцепторную (служит местом присоединения аминокислоты), антикодоновую (узнает кодон в мРНК в процессе трансляции), две боковые.