Какво е значението на дублирането на ДНК. Тест по биология „Клетката – генетичната единица на живия

Хромозомите са изградени от:

РНК и протеин

ДНК и РНК

ДНК и протеини

Хромозомата е изградена от ДНК и протеини. Комплексът от протеини, свързани с ДНК, образува хроматин. Играят катерици важна роляв опаковката на ДНК молекули в ядрото. Преди клетъчното делене ДНК е плътно усукана, образувайки хромозоми, а ядрените протеини - хистони - са необходими за правилното сгъване на ДНК, в резултат на което обемът й намалява многократно. Всяка хромозома е изградена от една ДНК молекула.

Процесът на отглеждане е...

и двата отговора са верни

Възпроизвеждане - едно от най-важните свойства на живите организми. възпроизвеждане, или самовъзпроизвеждане на техния собствен вид, свойство на всички живи организми, което осигурява непрекъснатостта и непрекъснатостта на живота. Всички живи същества без изключение са способни да се размножават. Методите на размножаване в различните организми могат да бъдат много различни един от друг, но клетъчното делене е в основата на всеки тип размножаване. Делението на клетките се случва не само по време на размножаването на организмите, както се случва при едноклетъчните същества - бактерии и протозои. Развитието на многоклетъчен организъм от един единична клеткавключва милиарди клетъчни деления. Освен това, продължителността на живота на многоклетъчния организъм надвишава живота на повечето от съставните му клетки. Следователно почти всички клетки на многоклетъчни същества трябва да се делят, за да заменят умиращите клетки. Интензивно делене на клетките е необходимо при наранявания на тялото, когато е необходимо възстановяване на увредените органи и тъкани.

Ако човешката зигота съдържа 46 хромозоми, тогава колко хромозоми има в човешката яйцеклетка?

Човешките хромозоми съдържат гени (46 единици), образувайки 23 двойки. Една двойка от този набор определя пола на човек. Наборът от хромозоми на жената съдържа две X хромозоми, мъжете - една X и една Y. Всички други клетки на човешкото тяло съдържат два пъти повече от сперматозоидите и яйцеклетките.

Колко нишки ДНК има удвоената хромозома.

един

две

четири

По време на репликация (удвояване) част от молекулата на ДНК „майка“ се разплита на две вериги с помощта на специален ензим. Освен това, допълнителен нуклеотид се настройва към всеки нуклеотид от счупените ДНК вериги. Така те се образуват две двуверижни ДНК молекули, (4 вериги), всяка от които включва една верига от "родителската" молекула и една новосинтезирана ("дъщерна") верига. Тези две молекули ДНК са абсолютно идентични.

Биологичното значение на удвояването на хромозомата в интерфазата на митозата.

удвоените хромозоми се виждат по-добре

при промяна на наследствената информация

в резултат на хромозомно дублиране, наследствената информация на новите клетки остава непроменена

Биологичното значение на удвояването на хромозомите е да прехвърли наследствена информация на следващото поколение. Тази функция се осъществява благодарение на способността на ДНК да се удвоява (редупликация). В точността на процеса на редупликация има дълбок биологичен смисъл: нарушението на копирането би довело клетките до изкривяване на наследствената информация и в резултат на това да наруши функционирането на дъщерните клетки и целия организъм като цяло. Ако не се случи дублиране на ДНК, тогава с всяко клетъчно делене.

Броят на хромозомите ще бъде намален наполовина и много скоро няма да останат хромозоми във всяка клетка. Въпреки това, ние знаем, че във всички клетки на тялото на многоклетъчен организъм броят на хромозомите е един и същ и не се променя от поколение на поколение. Това постоянство се постига чрез митотично клетъчно делене.

В тази фаза на митоза хроматидите се придвижват към полюсите на клетката.

профаза

анафаза

телофаза

IN анафаза(4) сестринските хроматиди се разделят под действието на вретеното: първо в областта на центромера, а след това по цялата дължина. От този момент нататък те стават независими хромозоми. Конците на шпиндела ги разтягат към различни полюси. Така, поради идентичността на дъщерните хроматиди, двата полюса на клетката имат един и същ генетичен материал: същият, какъвто е бил в клетката преди началото на митозата.

Основната задача на митозата.

ДНК подреждане

осигуряват нови клетки с пълен набор от хромозоми

предоставят нови клетки с допълнителна информация

Методът на делене, при който всяка от дъщерните клетки получава точно копие на генетичния материал на родителската клетка, се нарича митоза. Основната му задача е гарантираи двете клетки са еднакви пълен набор от хромозоми.

Навиването на ДНК се случва в ядрото на тази фаза на митоза.

профаза

метафаза

цитокинеза

В основата, на сцената профаза(2), възниква спирализация на ДНК. Ядрата изчезват. Центриолите се движат към полюсите на клетката. Микротубулите, простиращи се от тях, започват да образуват вретено на делене. Ядрената обвивка е унищожена.

Колко хроматиди има всяка хромозома, преди да се дублира?

Всяка хромозома, преди нейното дублиране, има една хроматида. По време на интерфазата хромозомата се разделя на две хроматиди.

Директно клетъчно делене или...

амитоза

митоза

мейоза

директно клетъчно делене, или амитоза, е относително рядко. При амитоза ядрото започва да се дели без видими предварителни промени. В този случай не се осигурява равномерно разпределение на ДНК между две дъщерни клетки, тъй като ДНК не се спира по време на амитоза и не се образуват хромозоми. Понякога цитокинезата не настъпва по време на амитоза. В този случай се образува бинуклеарна клетка. Ако деленето на цитоплазмата е настъпило, тогава е вероятно и двете дъщерни клетки да са дефектни. Амитозата често се среща в умиращи тъкани, както и в туморни клетки.

Процеси, протичащи в интерфазата на митозата.

протеинов синтез, клетъчен растеж

дублиране на хромозоми

и двата отговора са верни

Интерфаза - периодът между две деления (1). През този период клетката се подготвя за делене. двойкиномер ДНК в хромозомите. Удвояване на броя на другите органели се синтезират протеини, и се появява най-активният от тях, които образуват шпиндела на деленето клетъчен растеж.

Процеси, които се основават на митоза.

растеж; смачкване на зиготата; регенерация на тъканите

кръстосване на хромозоми, образуване на гамети

и двата отговора са верни

Активността на клетките се проявява в промяна в техния размер. Всички клетки са способни на растеж. Въпреки това, техният растеж е ограничен до определени граници. Някои клетки, като яйцата, поради натрупването на жълтък в тях, могат да достигнат огромен размер. Обикновено клетъчният растеж е придружен от преобладаващо увеличаване на обема на цитоплазмата, докато размерът на ядрото се променя в по-малка степен. клетъчно деленележи в основата растеж, развитие, регенерациятъкани и многоклетъчен организъм, а именно митоза. Митозата е в основата на процесите на заздравяване на рани и асексуално размножаване.

Вдясно е най-голямата човешка ДНК спирала, изградена от хора на плажа във Варна (България), която е включена в Книгата на рекордите на Гинес на 23 април 2016 г.

Дезоксирибонуклеинова киселина. Главна информация

ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е вид план на живота, сложен код, който съдържа данни за наследствена информация. Тази сложна макромолекула е способна да съхранява и предава наследствена генетична информация от поколение на поколение. ДНК определя такива свойства на всеки жив организъм като наследственост и променливост. Информацията, кодирана в него, определя цялата програма за развитие на всеки жив организъм. Генетично заложените фактори предопределят целия ход на живота както на човек, така и на всеки друг организъм. Изкуствено или естествено влияние външна средаспособен само на незначителна степензасягат цялостната тежест на индивидуалните генетични черти или засягат развитието на програмирани процеси.

Дезоксирибонуклеинова киселина(ДНК) е макромолекула (една от трите основни, другите две са РНК и протеини), която осигурява съхранение, предаване от поколение на поколение и изпълнение на генетичната програма за развитие и функциониране на живите организми. ДНК съдържа информация за структурата на различни видове РНК и протеини.

В еукариотните клетки (животни, растения и гъби) ДНК се намира в клетъчното ядро ​​като част от хромозоми, както и в някои клетъчни органели (митохондрии и пластиди). В клетките на прокариотните организми (бактерии и археи) кръгова или линейна ДНК молекула, така нареченият нуклеоид, е прикрепена отвътре към клетъчната мембрана. Те и нисшите еукариоти (например дрожди) също имат малки автономни, предимно кръгови ДНК молекули, наречени плазмиди.

От химическа гледна точка ДНК е дълга полимерна молекула, състояща се от повтарящи се блокове - нуклеотиди. Всеки нуклеотид се състои от азотна основа, захар (дезоксирибоза) и фосфатна група. Връзките между нуклеотидите във веригата се образуват от дезоксирибоза ( ОТ) и фосфат ( Ф) групи (фосфодиестерни връзки).

Ориз. 2. Нуклеритът се състои от азотна основа, захар (дезоксирибоза) и фосфатна група

В преобладаващото мнозинство от случаите (с изключение на някои вируси, съдържащи едноверижна ДНК), макромолекулата на ДНК се състои от две вериги, ориентирани от азотни бази една към друга. Тази двуверижна молекула е усукана в спирала.

Има четири вида азотни бази, открити в ДНК (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотните бази на една от веригите са свързани с азотните основи на другата верига чрез водородни връзки съгласно принципа на комплементарност: аденин се комбинира само с тимин ( A-T), гуанин - само с цитозин ( G-C). Именно тези двойки съставляват „стъпала“ на спираловидната „стълба“ на ДНК (виж: фиг. 2, 3 и 4).

Ориз. 2. Азотни основи

Последователността от нуклеотиди ви позволява да "кодирате" информация за различни видовеРНК, най-важните от които са информация или матрица (тРНК), рибозомна (рРНК) и транспортна (тРНК). Всички тези видове РНК се синтезират върху ДНК шаблона чрез копиране на ДНК последователността в РНК последователността, синтезирана по време на транскрипцията, и участват в биосинтеза на протеин (процес на транслация). В допълнение към кодиращите последователности, клетъчната ДНК съдържа последователности, които изпълняват регулаторни и структурни функции.

Ориз. 3. Репликация на ДНК

Разположението на основните комбинации от химични съединения на ДНК и количествените съотношения между тези комбинации осигуряват кодиране на наследствена информация.

Образование нова ДНК (репликация)

1. Процесът на репликация: развиване на двойната спирала на ДНК - синтез на комплементарни вериги от ДНК полимераза - образуване на две ДНК молекули от една.
2. Двойната спирала се "разкопчава" на два клона, когато ензимите разрушат връзката между базовите двойки химични съединения.
3. Всеки клон е нов ДНК елемент. Новите базови двойки се свързват в същата последователност, както в родителския клон.

След завършване на дублирането се образуват две независими спирали, създадени от химичните съединения на родителската ДНК и имащи същия генетичен код с нея. По този начин ДНК е в състояние да разкъсва информация от клетка на клетка.

По-подробна информация:

СТРУКТУРА НА НУКЛЕИНОВИТЕ КИСЕЛИНИ

Ориз. 4 . Азотни основи: аденин, гуанин, цитозин, тимин

Дезоксирибонуклеинова киселина(ДНК) се отнася до нуклеинови киселини. Нуклеинова киселинае клас неправилни биополимери, чиито мономери са нуклеотиди.

НУКЛЕОТИДИсе състои от азотна основа, свързан с петвъглероден въглехидрат (пентоза) - дезоксирибоза(в случай на ДНК) или рибоза(в случай на РНК), който се комбинира с остатък от фосфорна киселина (H 2 PO 3 -).

Азотни основиИма два вида: пиримидинови бази - урацил (само в РНК), цитозин и тимин, пуринови основи - аденин и гуанин.

Ориз. Фиг. 5. Структурата на нуклеотидите (вляво), местоположението на нуклеотида в ДНК (отдолу) и видовете азотни бази (вдясно): пиримидин и пурин

Въглеродните атоми в пентозната молекула са номерирани от 1 до 5. Фосфатът се комбинира с третия и петия въглероден атом. Ето как нуклеиновите киселини се свързват заедно, за да образуват верига от нуклеинови киселини. По този начин можем да изолираме 3' и 5' края на ДНК веригата:

Ориз. 6. Изолиране на 3' и 5' края на ДНК веригата

Образуват се две вериги на ДНК двойна спирала. Тези вериги в спирала са ориентирани в противоположни посоки. В различни вериги на ДНК азотните бази са свързани помежду си посредством водородни връзки. Аденинът винаги се комбинира с тимин, а цитозинът винаги се комбинира с гуанин. Нарича се правило за допълване.

Правило за допълване:

A-T G-C

Например, ако ни бъде дадена ДНК верига, която има последователността

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

тогава втората верига ще бъде допълваща към нея и насочена в обратна посока - от 5'-края към 3'-края:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Ориз. 7. Посоката на веригите на молекулата на ДНК и свързването на азотните основи с помощта на водородни връзки

ДНК РЕПЛИКАЦИЯ

ДНК репликацияе процесът на удвояване на ДНК молекула чрез синтез на матрица. В повечето случаи на естествена репликация на ДНКгрундза синтеза на ДНК е кратък фрагмент (създадено отново). Такъв рибонуклеотиден праймер се създава от ензимната примаза (ДНК примаза при прокариотите, ДНК полимераза при еукариотите) и впоследствие се заменя с дезоксирибонуклеотидна полимераза, която обикновено изпълнява функции за възстановяване (коригиране на химическо увреждане и счупвания в ДНК молекулата).

Репликацията се извършва по полуконсервативен начин. Това означава, че двойната спирала на ДНК се развива и на всяка от нейните вериги се завършва нова верига според принципа на комплементарността. Така дъщерната ДНК молекула съдържа една верига от родителската молекула и една новосинтезирана. Репликацията се случва в посока от 3' до 5' на родителската верига.

Ориз. 8. Репликация (удвояване) на ДНК молекулата

синтез на ДНК- това не е толкова сложен процес, колкото може да изглежда на пръв поглед. Ако помислите за това, тогава първо трябва да разберете какво е синтез. Това е процес на обединяване на нещо. Образуването на нова ДНК молекула протича на няколко етапа:

1) ДНК топоизомераза, разположена в предната част на репликационната вилица, разрязва ДНК, за да улесни нейното развиване и развиване.
2) ДНК хеликаза, след топоизомераза, засяга процеса на "развиване" на спиралата на ДНК.
3) ДНК-свързващите протеини осъществяват свързването на ДНК вериги, а също така извършват тяхната стабилизация, предотвратявайки залепването им един за друг.
4) ДНК полимераза δ(делта) , координиран със скоростта на движение на репликационната вилка, извършва синтезаводещаверигидъщерно дружество ДНК в посока 5" → 3" на матрицатамайчина нишки на ДНК в посока от нейния 3" край до 5" край (скорост до 100 базови двойки в секунда). Тези събития за това майчинанишките на ДНК са ограничени.

Ориз. 9. Схематично представяне на процеса на репликация на ДНК: (1) изоставаща верига (изостана верига), (2) водеща верига (водеща верига), (3) ДНК полимераза α (Polα), (4) ДНК лигаза, (5) РНК -праймер, (6) примаза, (7) фрагмент на Оказаки, (8) ДНК полимераза δ (Polδ), (9) хеликаза, (10) едноверижни ДНК-свързващи протеини, (11) топоизомераза.

Синтезът на изоставащата дъщерна ДНК верига е описан по-долу (виж по-долу). схемарепликационна вилица и функция на репликационните ензими)

За повече информация относно репликацията на ДНК вж

5) Веднага след развиването и стабилизирането на друга верига на изходната молекула, тя се присъединяваДНК полимераза α(алфа)и в посока 5 "→3" синтезира праймер (РНК праймер) - РНК последователност върху ДНК шаблон с дължина от 10 до 200 нуклеотида. След това ензимътотстранени от ДНК веригата.

Вместо ДНК полимеразаα прикрепен към 3" края на грундаДНК полимеразаε .

6) ДНК полимеразаε (епсилон) сякаш продължава да удължава грунда, но като субстрат вграждадезоксирибонуклеотиди(в количество 150-200 нуклеотида). В резултат на това се образува твърда нишка от две части -РНК(т.е. грунд) и ДНК. ДНК полимераза εработи, докато не срещне началото на предишнияфрагмент Оказаки(синтезирано малко по-рано). След това този ензим се отстранява от веригата.

7) ДНК полимераза β(бета) стои на мястото наДНК полимерази ε,се движи в същата посока (5" → 3") и премахва праймерните рибонуклеотиди, като вмъква дезоксирибонуклеотиди на тяхно място. Ензимът работи до пълното отстраняване на грунда, т.е. до дезоксирибонуклеотид (още повече синтезиран преди товаДНК полимераза ε). Ензимът не е в състояние да свърже резултата от своята работа и ДНК отпред, така че напуска веригата.

В резултат на това фрагмент от дъщерната ДНК "лежи" върху матрицата на майчината нишка. Нарича сефрагмент от Оказаки.

8) ДНК лигаза лигира две съседни фрагменти Оказаки , т.е. 5 "-край на сегмента, синтезиранДНК полимераза ε,и вграден 3-инчов край на веригатаДНК полимеразаβ .

СТРУКТУРА НА РНК

Рибонуклеинова киселина(РНК) е една от трите основни макромолекули (другите две са ДНК и протеини), които се намират в клетките на всички живи организми.

Точно като ДНК, РНК е изградена от дълга верига, в която всяка връзка се нарича нуклеотид. Всеки нуклеотид се състои от азотна основа, рибоза захар и фосфатна група. Въпреки това, за разлика от ДНК, РНК обикновено има една, а не две вериги. Пентозата в РНК е представена от рибоза, а не от дезоксирибоза (рибозата има допълнителна хидроксилна група на втория въглехидратен атом). И накрая, ДНК се различава от РНК по състава на азотните бази: вместо тимин ( т) урацил присъства в РНК ( У) , който също е комплементарен на аденина.

Последователността от нуклеотиди позволява на РНК да кодира генетична информация. Всичко клетъчни организмиизползвайте РНК (тРНК) за програмиране на протеиновия синтез.

Клетъчните РНК се образуват в процес, наречен транскрипция , тоест синтеза на РНК върху ДНК шаблон, извършен от специални ензими - РНК полимерази.

След това предавателните РНК (тРНК) участват в процес, наречен излъчване, тези. протеинов синтез върху тРНК шаблон с участието на рибозоми. Други РНК претърпяват химични модификации след транскрипция и след образуването на вторични и третични структури изпълняват функции, които зависят от вида на РНК.

Ориз. 10. Разликата между ДНК и РНК по отношение на азотната основа: вместо тимин (Т), РНК съдържа урацил (U), който също е комплементарен на аденина.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Това е процесът на синтез на РНК върху ДНК шаблон. ДНК се развива на едно от местата. Една от веригите съдържа информация, която трябва да бъде копирана върху молекулата на РНК - тази верига се нарича кодираща. Втората верига на ДНК, която е комплементарна на кодиращата верига, се нарича шаблонна верига. В процеса на транскрипция върху шаблонната верига в посока 3'-5' (по протежение на ДНК веригата) се синтезира комплементарна към нея РНК верига. Така се създава РНК копие на кодиращата верига.

Ориз. 11. Схематично представяне на транскрипцията

Например, ако ни бъде дадена последователността на кодиращата верига

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

тогава, съгласно правилото за комплементарност, матричната верига ще носи последователността

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

и синтезираната от него РНК е последователността

ИЗПРАЩАНЕ

Помислете за механизма протеинов синтезвърху РНК матрицата, както и генетичния код и неговите свойства. Също така, за по-голяма яснота, на връзката по-долу препоръчваме да гледате кратко видео за процесите на транскрипция и транслация, протичащи в жива клетка:

Ориз. 12. Процес на протеинов синтез: ДНК кодове за РНК, РНК кодове за протеин

ГЕНЕТИЧЕН КОД

Генетичен код- метод за кодиране на аминокиселинната последователност на протеините, използвайки последователност от нуклеотиди. Всяка аминокиселина е кодирана от последователност от три нуклеотида – кодон или триплет.

Генетичен код, общ за повечето про- и еукариоти. Таблицата изброява всички 64 кодона и изброява съответните аминокиселини. Основният ред е от 5" до 3" края на иРНК.

Таблица 1. Стандартен генетичен код

1-во фондацията не	2-ра база								3-то фондацията не
	У		° С		А		г
У	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	U G U	(Cys/C)	У
	U U C		U C C		U A C		U G C		° С
	U U A	(Leu/L)	U C A		У А А	Стоп кодон**	U G A	Стоп кодон**	А
	U U G		U C G		U A G	Стоп кодон**	U G G	(Trp/W)	г
° С	C U U		C C U	(Pro/P)	C A U	(Негов/З)	C G U	(Arg/R)	У
	C U C		C C C		C A C		C G C		° С
	C U A		C C A		C A A	(Gln/Q)	CGA		А
	C U G		C C G		C A G		C G G		г
А	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	А А У	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	У
	A U C		A C C		A A C		A G C		° С
	А У А		A C A		А А А	(Lys/K)	A G A		А
	A U G	(Met/M)	A C G		A A G		A G G		г
г	G U U	(Val/V)	G C U	(Ала/А)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	У
	G U C		G C C		G A C		G G C		° С
	G U A		G C A		G A A	(Glu/E)	G G A		А
	G U G		G C G		G A G		G G G		г

Сред тризнаците има 4 специални последователности, които действат като "препинателни знаци":

• * Тройка АВГ, също кодиращ метионин, се нарича стартов кодон. Този кодон започва синтеза на протеинова молекула. Така, по време на протеиновия синтез, първата аминокиселина в последователността винаги ще бъде метионин.

• ** Тризнаци UAA, UAGИ UGAНаречен стоп кодонии не кодират никакви аминокиселини. При тези последователности протеиновият синтез спира.

Свойства на генетичния код

1. Тройност. Всяка аминокиселина е кодирана от последователност от три нуклеотида - триплет или кодон.

2. Приемственост. Между триплетите няма допълнителни нуклеотиди, информацията се чете непрекъснато.

3. Неприпокриващи се. Един нуклеотид не може да бъде част от две триплети едновременно.

4. Уникалност. Един кодон може да кодира само една аминокиселина.

5. Дегенерация. Една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко различни кодона.

6. Универсалност. Генетичният код е един и същ за всички живи организми.

Пример. Дадена ни е последователността на кодиращата верига:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Веригата на матрицата ще има последователността:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Сега ние „синтезираме“ информационна РНК от тази верига:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Синтезът на протеин върви в посока 5' → 3', следователно, трябва да обърнем последователността, за да "прочетем" генетичния код:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Сега намерете стартовия кодон AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Разделете последователността на тройки:

звучи така: информацията от ДНК се прехвърля към РНК (транскрипция), от РНК към протеин (транслация). ДНК може да се дублира и чрез репликация, като е възможен и процесът на обратна транскрипция, когато ДНК се синтезира от РНК шаблон, но такъв процес е характерен главно за вирусите.

Ориз. 13. Централна догма на молекулярната биология

ГЕНОМ: ГЕНИ И ХРОМОЗОМИ

(общи понятия)

Геном - съвкупността от всички гени на един организъм; неговия пълен хромозомен набор.

Терминът "геном" е предложен от G. Winkler през 1920 г., за да опише съвкупността от гени, съдържащи се в хаплоидния набор от хромозоми на организми от същия биологичен вид. Първоначалното значение на този термин показва, че концепцията за генома, за разлика от генотипа, е генетична характеристика на вида като цяло, а не на индивид. С развитието на молекулярната генетика значението на този термин се промени. Известно е, че ДНК, която е носител на генетична информация в повечето организми и следователно е в основата на генома, включва не само гени в съвременния смисъл на думата. Повечето от ДНК еукариотни клеткипредставени от некодиращи („излишни“) нуклеотидни последователности, които не съдържат информация за протеини и нуклеинова киселина. По този начин основната част от генома на всеки организъм е цялата ДНК на неговия хаплоиден набор от хромозоми.

Гените са сегменти от ДНК молекули, които кодират полипептиди и РНК молекули.

През последния век нашето разбиране за гените се промени значително. Преди това геномът беше област от хромозома, която кодира или определя една черта или фенотипни(видимо) свойство, като цвят на очите.

През 1940 г. Джордж Бийдъл и Едуард Тейтъм предлагат молекулярна дефиниция на ген. Учените обработиха спорите на гъбичките Neurospora crassaРентгенови лъчи и други агенти, които причиняват промени в последователността на ДНК ( мутации), и са открити мутантни щамове на гъбичките, които са загубили някои специфични ензими, което в някои случаи е довело до нарушаване на целия метаболитен път. Beadle и Tatham стигнаха до заключението, че генът е част от генетичен материал, която дефинира или кодира един ензим. Ето как се развива хипотезата "един ген, един ензим". Тази концепция по-късно беше разширена до определението "един ген - един полипептид", тъй като много гени кодират протеини, които не са ензими, и полипептидът може да бъде субединица на сложен протеинов комплекс.

На фиг. 14 показва диаграма на това как триплетите от нуклеотиди в ДНК определят полипептида, аминокиселинната последователност на протеин, медиирана от иРНК. Една от нишките на ДНК играе ролята на шаблон за синтеза на иРНК, чиито нуклеотидни триплети (кодони) са комплементарни на ДНК триплетите. В някои бактерии и много еукариоти кодиращите последователности са прекъснати от некодиращи области (нар. интрони).

Съвременна биохимична дефиниция на ген още по-конкретно. Гените са всички участъци от ДНК, които кодират първичната последователност от крайни продукти, които включват полипептиди или РНК, които имат структурна или каталитична функция.

Наред с гените, ДНК съдържа и други последователности, които изпълняват изключително регулаторна функция. Регулаторни последователностиможе да маркира началото или края на гените, да повлияе на транскрипцията или да посочи мястото на иницииране на репликация или рекомбинация. Някои гени могат да бъдат експресирани по различни начини, като едно и също парче ДНК служи като шаблон за образуването на различни продукти.

Можем да изчислим грубо минимален размер на генакодиране на междинния протеин. Всяка аминокиселина в полипептидна верига е кодирана от последователност от три нуклеотида; последователностите на тези триплети (кодони) съответстват на веригата от аминокиселини в полипептида, кодиран от дадения ген. Полипептидна веригаот 350 аминокиселинни остатъка (верига със средна дължина) съответства на последователност от 1050 bp. ( bp). Въпреки това, много еукариотни гени и някои прокариотни гени са прекъснати от ДНК сегменти, които не носят информация за протеина и следователно се оказват много по-дълги, отколкото показва простото изчисление.

Колко гена има в една хромозома?

Ориз. 15. Изглед на хромозоми в прокариотни (вляво) и еукариотни клетки. Хистоните са широк клас ядрени протеини, които изпълняват две основни функции: участват в опаковането на ДНК вериги в ядрото и в епигенетичната регулация на ядрени процеси като транскрипция, репликация и възстановяване.

Както знаете, бактериалните клетки имат хромозома под формата на ДНК верига, опакована в компактна структура - нуклеоид. прокариотна хромозома Ешерихия коли, чийто геном е напълно декодиран, е кръгла ДНК молекула (всъщност това не е правилен кръг, а по-скоро бримка без начало и край), състояща се от 4 639 675 bp. Тази последователност съдържа приблизително 4300 протеинови гена и още 157 гена за стабилни РНК молекули. IN човешки геномприблизително 3,1 милиарда базови двойки, съответстващи на почти 29 000 гена, разположени в 24 различни хромозоми.

Прокариоти (бактерии).

бактерия Е. coliима една двуверижна кръгова ДНК молекула. Състои се от 4,639,675 b.p. и достига дължина от приблизително 1,7 мм, което надвишава дължината на самата клетка Е. coliоколо 850 пъти. В допълнение към голямата кръгла хромозома като част от нуклеоида, много бактерии съдържат една или повече малки кръгови ДНК молекули, свободно разположени в цитозола. Тези екстрахромозомни елементи се наричат плазмиди(фиг. 16).

Повечето плазмиди се състоят само от няколко хиляди базови двойки, някои съдържат повече от 10 000 bp. Те носят генетична информация и се възпроизвеждат, за да образуват дъщерни плазмиди, които влизат в дъщерните клетки по време на деленето на родителската клетка. Плазмидите се намират не само в бактериите, но и в дрожди и други гъби. В много случаи плазмидите не предлагат предимство на клетките гостоприемници и единствената им задача е да се възпроизвеждат независимо. Въпреки това, някои плазмиди носят гени, полезни за гостоприемника. Например, гените, съдържащи се в плазмидите, могат да придадат резистентност към антибактериални агенти в бактериалните клетки. Плазмидите, носещи β-лактамазния ген, придават резистентност към β-лактамни антибиотици като пеницилин и амоксицилин. Плазмидите могат да преминат от устойчиви на антибиотици клетки към други клетки от същия или различен бактериален вид, което води до това, че тези клетки също станат резистентни. Интензивната употреба на антибиотици е мощен селективен фактор, който насърчава разпространението на плазмиди, кодиращи антибиотична резистентност (както и транспозони, които кодират подобни гени) сред патогенните бактерии и води до появата на бактериални щамове с резистентност към няколко антибиотици. Лекарите започват да разбират опасностите от широкото използване на антибиотици и ги предписват само когато е абсолютно необходимо. По подобни причини широкото използване на антибиотици за лечение на селскостопански животни е ограничено.

Вижте също: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном на прокариотите // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. No 4/2. с. 972-984.

еукариоти.

Таблица 2. ДНК, гени и хромозоми на някои организми

	споделено ДНК, б.с.	Брой хромозоми*	Приблизителен брой гени
Ешерихия коли(бактерия)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae(квас)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(нематод)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana(растение)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster(плодова мушица)	120 367 260		20 000
Oryza sativa(ориз)	480 000 000		57 000
Мускулна мускулатура(мишка)	2 634 266 500		27 000
Хомо сапиенс(човек)	3 070 128 600		29 000

Забележка.Информацията се актуализира постоянно; За повече актуална информация вижте уебсайтовете за отделни геномни проекти.

* За всички еукариоти, с изключение на дрождите, е даден диплоидният набор от хромозоми. диплоиденкомплект хромозоми (от гръцки diploos - двоен и eidos - изглед) - двоен набор от хромозоми (2n), всяка от които има хомоложна.
** Хаплоиден комплект. Дивите щамове дрожди обикновено имат осем (октаплоидни) или повече набора от тези хромозоми.
***За жени с две Х хромозоми. Мъжете имат Х хромозома, но нямат Y, тоест само 11 хромозоми.

Дрожева клетка, един от най-малките еукариоти, има 2,6 пъти повече ДНК от клетката Е. coli(Таблица 2). клетки на плодова муха дрозофила, класически обект на генетични изследвания, съдържат 35 пъти повече ДНК, а човешките клетки съдържат около 700 пъти повече ДНК от клетките Е. coli.Много растения и земноводни съдържат още повече ДНК. Генетичният материал на еукариотните клетки е организиран под формата на хромозоми. Диплоиден набор от хромозоми (2 н) зависи от вида на организма (Таблица 2).

Например, в човешката соматична клетка има 46 хромозоми ( ориз. 17). Всяка хромозома в еукариотна клетка, както е показано на фиг. 17, но, съдържа една много голяма двуверижна ДНК молекула. Двадесет и четири човешки хромозоми (22 сдвоени хромозоми и две полови хромозоми X и Y) се различават по дължина повече от 25 пъти. Всяка еукариотна хромозома съдържа специфичен набор от гени.

Ориз. 17. еукариотни хромозоми.но- двойка свързани и кондензирани сестрински хроматиди от човешката хромозома. В тази форма еукариотните хромозоми остават след репликация и в метафаза по време на митоза. б- пълен набор от хромозоми от левкоцит на един от авторите на книгата. Всяка нормална човешка соматична клетка съдържа 46 хромозоми.

Ако свържете ДНК молекулите на човешкия геном (22 хромозоми и хромозоми X и Y или X и X) една с друга, ще получите последователност с дължина около един метър. Забележка: При всички бозайници и други хетерогаметни мъжки организми, женските имат две X хромозоми (XX), а мъжките имат една X хромозома и една Y хромозома (XY).

Повечето човешки клетки, така че общата дължина на ДНК на такива клетки е около 2 m. Възрастен човек има около 10 14 клетки, така че общата дължина на всички ДНК молекули е 2・10 11 km. За сравнение, обиколката на Земята е 4・10 4 km, а разстоянието от Земята до Слънцето е 1,5・10 8 km. Ето колко невероятно компактно е опакована ДНК в нашите клетки!

В еукариотните клетки има други органели, съдържащи ДНК - това са митохондриите и хлоропластите. Изложени са много хипотези относно произхода на митохондриалната и хлоропластната ДНК. Общоприетата гледна точка днес е, че те са рудиментите на хромозомите на древните бактерии, които са проникнали в цитоплазмата на клетките гостоприемници и са станали предшественици на тези органели. Митохондриална ДНК кодира митохондриална тРНК и рРНК, както и няколко митохондриални протеина. Повече от 95% от митохондриалните протеини са кодирани от ядрена ДНК.

СТРУКТУРА НА ГЕНИТЕ

Помислете за структурата на гена в прокариотите и еукариотите, техните прилики и разлики. Въпреки факта, че генът е участък от ДНК, кодиращ само един протеин или РНК, в допълнение към пряката кодираща част, той включва и регулаторни и други структурни елементи, които имат различна структура при прокариотите и еукариотите.

кодираща последователност- основната структурна и функционална единица на гена, в нея се намират триплетите нуклеотиди, кодиращиаминокиселинна последователност. Започва със стартов кодон и завършва със стоп кодон.

Преди и след кодиращата последователност са нетранслирани 5' и 3' последователности. Те изпълняват регулаторни и спомагателни функции, например осигуряват кацането на рибозомата върху иРНК.

Нетранслираните и кодиращи последователности съставляват транскрипционна единица - транскрибиран ДНК регион, тоест ДНК регион, от който се синтезира иРНК.

ТерминаторНетранскрибирана област на ДНК в края на ген, където синтезът на РНК спира.

В началото на гена е регулаторна зона, което включва промоторИ оператор.

промотор- последователността, с която полимеразата се свързва по време на иницииране на транскрипция. Оператор- това е областта, към която могат да се свържат специални протеини - репресори, което може да намали активността на синтеза на РНК от този ген - с други думи, да го намали изразяване.

Структурата на гените в прокариотите

Общият план за структурата на гените при прокариотите и еукариотите не се различава - и двата съдържат регулаторна област с промотор и оператор, транскрипционна единица с кодиращи и нетранслирани последователности и терминатор. Организацията на гените при прокариотите и еукариотите обаче е различна.

Ориз. 18. Схема на структурата на гена при прокариоти (бактерии) -изображението се увеличава

В началото и в края на оперона има общи регулаторни области за няколко структурни гена. От транскрибираната област на оперона се чете една молекула иРНК, която съдържа няколко кодиращи последователности, всяка от които има свой стартов и стоп кодон. От всяка една от тези областиедин протеин се синтезира. По този начин, Няколко протеинови молекули се синтезират от една молекула i-RNA.

Прокариотите се характеризират с комбинация от няколко гена в една функционална единица - оперон. Работата на оперона може да се регулира от други гени, които могат да бъдат забележимо отстранени от самия оперон - регулатори. Белтъкът, преведен от този ген, се нарича репресор. Той се свързва с оператора на оперона, регулирайки експресията на всички съдържащи се в него гени наведнъж.

Прокариотите също се характеризират с явлението транскрипционни и транслационни конюгации.

Ориз. 19 Феноменът на конюгиране на транскрипция и транслация в прокариотите - изображението се увеличава

Това сдвояване не се случва при еукариотите поради наличието на ядрена обвивка, която разделя цитоплазмата, където се осъществява транслацията, от генетичния материал, върху който се извършва транскрипцията. При прокариотите, по време на синтеза на РНК върху ДНК шаблон, рибозома може незабавно да се свърже със синтезираната РНК молекула. По този начин преводът започва дори преди да завърши транскрипцията. Освен това няколко рибозоми могат едновременно да се свързват с една молекула РНК, синтезирайки няколко молекули от един протеин наведнъж.

Структурата на гените в еукариотите

Гените и хромозомите на еукариотите са много сложно организирани.

Бактериите от много видове имат само една хромозома и в почти всички случаи има по едно копие на всеки ген на всяка хромозома. Само няколко гена, като rRNA гени, се съдържат в множество копия. Гените и регулаторните последователности съставляват почти целия геном на прокариотите. Освен това, почти всеки ген стриктно съответства на аминокиселинната последователност (или РНК последователността), която кодира (фиг. 14).

Структурни и функционална организацияеукариотните гени са много по-сложни. Изучаването на еукариотните хромозоми и по-късно секвенирането на пълните последователности на еукариотния геном донесе много изненади. Много, ако не и повечето, еукариотни гени имат интересна характеристика: техните нуклеотидни последователности съдържат един или повече ДНК региони, които не кодират аминокиселинната последователност на полипептидния продукт. Такива нетранслирани вмъквания нарушават прякото съответствие между нуклеотидната последователност на гена и аминокиселинната последователност на кодирания полипептид. Тези нетранслирани сегменти в гените се наричат интрони, или вградени последователности, а кодиращите сегменти са екзони. При прокариотите само няколко гена съдържат интрони.

Така че при еукариотите практически няма комбинация от гени в оперони, а кодиращата последователност на еукариотен ген най-често се разделя на транслирани региони. - екзони, и непреведени секции - интрони.

В повечето случаи функцията на интроните не е установена. Като цяло само около 1,5% от човешката ДНК е "кодираща", тоест носи информация за протеини или РНК. Въпреки това, като се вземат предвид големите интрони, се оказва, че 30% от човешката ДНК се състои от гени. Тъй като гените съставляват относително малка част от човешкия геном, значителна част от ДНК остава неотчетена.

Ориз. 16. Схема на структурата на гена при еукариотите - изображението се увеличава

От всеки ген първо се синтезира незряла или пре-РНК, която съдържа както интрони, така и екзони.

След това протича процесът на сплайсинг, в резултат на което интронните области се изрязват и се образува зряла иРНК, от която може да се синтезира протеин.

Ориз. 20. Алтернативен процес на снаждане - изображението се увеличава

Такава организация на гените позволява например да се реализира, когато от един ген може да се синтезира различни формипротеин, поради факта, че в процеса на снаждане екзоните могат да бъдат зашити заедно в различни последователности.

Ориз. 21. Разлики в структурата на гените на прокариоти и еукариоти - изображението се увеличава

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗА

мутациянаречена персистираща промяна в генотипа, тоест промяна в нуклеотидната последователност.

Процесът, който води до мутация се нарича мутагенеза, и организма всичкочиито клетки носят същата мутация мутант.

теория на мутациитее формулиран за първи път от Хю де Врис през 1903 г. Съвременната му версия включва следните разпоредби:

1. Мутациите се появяват внезапно, рязко.

2. Мутациите се предават от поколение на поколение.

3. Мутациите могат да бъдат полезни, вредни или неутрални, доминантни или рецесивни.

4. Вероятността за откриване на мутации зависи от броя на изследваните индивиди.

5. Подобни мутации могат да се появят многократно.

6. Мутациите не са насочени.

Мутациите могат да възникнат под влиянието на различни фактори. Разграничаване на мутации, причинени от мутагенен въздействия: физически (като ултравиолетови лъчи или радиация), химически (като колхицин или активни формикислород) и биологични (например вируси). Мутации също могат да бъдат причинени грешки при репликация.

В зависимост от условията за поява мутациите се разделят на спонтанен- тоест мутации, възникнали в нормални условия, И индуцирано- тоест мутации, възникнали при специални условия.

Мутациите могат да възникнат не само в ядрената ДНК, но и например в ДНК на митохондриите или пластидите. Съответно можем да различим ядренИ цитоплазменмутации.

В резултат на появата на мутации често могат да се появят нови алели. Ако мутантният алел отмени нормалния алел, мутацията се нарича доминантен. Ако нормалният алел потиска мутиралия, мутацията се нарича рецесивен. Повечето мутации, които пораждат нови алели, са рецесивни.

Мутациите се различават по ефект адаптивен, което води до повишаване на адаптивността на организма към околната среда, неутраленкоито не влияят на оцеляването вреденкоито намаляват приспособимостта на организмите към условията на околната среда и смъртоносенкоето води до смърт на организма ранни стадииразвитие.

Според последствията се разграничават мутации, водещи до загуба на протеинова функция, мутации, водещи до поява при катерицата нова функция , както и мутации, които промяна на дозата на ген, и съответно дозата протеин, синтезиран от него.

Мутация може да възникне във всяка клетка на тялото. Ако възникне мутация в зародишна клетка, тя се нарича зародишна(зародишна или генеративна). Такива мутации не се появяват в организма, в който са се появили, а водят до появата на мутанти в потомството и се унаследяват, така че са важни за генетиката и еволюцията. Ако мутацията се появи в която и да е друга клетка, тя се нарича соматичен. Такава мутация може да се прояви до известна степен в организма, в който е възникнала, например, да доведе до образуването ракови тумори. Такава мутация обаче не се наследява и не засяга потомството.

Мутациите могат да засегнат части от генома с различни размери. Разпределете генетичен, хромозомниИ геномнамутации.

Генни мутации

Наричат ​​се мутации, които възникват в мащаб, по-малък от един ген генетичен, или точка (точка). Такива мутации водят до промяна в един или повече нуклеотиди в последователността. Генните мутации включватзамествания, което води до замяна на един нуклеотид с друг,изтриваниякоето води до загуба на един от нуклеотидите,вмъквания, което води до добавяне на допълнителен нуклеотид към последователността.

Ориз. 23. Генни (точкови) мутации

Според механизма на действие върху протеина, генните мутации се разделят на:синоним, които (в резултат на израждането на генетичния код) не водят до промяна в аминокиселинния състав на протеиновия продукт,миссенс мутации, които водят до заместване на една аминокиселина с друга и могат да повлияят на структурата на синтезирания протеин, въпреки че често са незначителни,безсмислени мутации, което води до замяна на кодиращия кодон със стоп кодон,мутации, водещи до нарушение на сплайсинга:

Ориз. 24. Мутационни схеми

Също така, според механизма на действие върху протеина се изолират мутации, водещи до изместване на рамката показаниякато вмъквания и изтривания. Такива мутации, като безсмислени мутации, въпреки че се появяват в една точка на гена, често засягат цялата структура на протеина, което може да доведе до пълна промяна в неговата структура.

Ориз. 29. Хромозома преди и след дупликация

Геномни мутации

накрая, геномни мутациизасягат целия геном, тоест броят на хромозомите се променя. Различава се полиплоидия - увеличаване на плоидията на клетката и анеуплоидия, тоест промяна в броя на хромозомите, например тризомия (наличие на допълнителен хомолог в една от хромозомите) и монозомия (отсъствие на хомолог в хромозомата).

Видео, свързано с ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ НА ДНК, РНК КОДИРАНЕ, СИНТЕЗ НА ПРОТЕИН

Въпрос 1. Какъв е жизненият цикъл на клетката?
Жизненият цикъл на клетката- това е периодът от нейния живот от момента на възникване в процеса на делба до смъртта или края на последващото разделяне. Продължителността на жизнения цикъл варира значително и зависи от вида на клетките и условията на околната среда: температура, наличност на кислород и хранителни вещества. Жизненият цикъл на амебата е 36 часа, докато за някои бактерии е 20 минути. За нервни клеткиили например клетките на лещата, продължителността му е години и десетилетия.

Въпрос 2. Как възниква дублирането на ДНК в митотичния цикъл? Какъв е смисълът на този процес?
Дублирането на ДНК възниква по време на интерфазата. Първо, две вериги на молекулата на ДНК се разминават, а след това върху всяка от тях, съгласно принципа на комплементарност, се синтезира нова полинуклеотидна последователност. Този процес е под контрола на специални ензими с изразходване на АТФ енергия. Новите ДНК молекули са абсолютно идентични копия на оригиналната (майчината). Няма промени в гените, което гарантира стабилността на наследствената информация, предотвратявайки нарушаването на функционирането на дъщерните клетки и на целия организъм като цяло. Дублирането на ДНК също така гарантира, че броят на хромозомите остава постоянен от поколение на поколение.

Въпрос 3. Каква е подготовката на клетката за митоза?
Подготовката на клетките за митоза се извършва в интерфаза. По време на интерфазата процесите на биосинтеза протичат активно, клетката расте, образува органели, натрупва енергия и най-важното - настъпва удвояване (редупликация) на ДНК. В резултат на редупликация се образуват две идентични ДНК молекули, свързани в центромера. Такива молекули се наричат ​​хроматиди. Две сдвоени хроматиди образуват хромозома.

Въпрос 4. Опишете последователно фазите на митозата.
Митоза и нейните фази.
Митозата (кариокинеза) е непряко клетъчно делене, при което се разграничават фази: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
1. Профазата се характеризира с:
1) хромонемите се спират, удебеляват и скъсяват.
2) изчезват нуклеолите, т.е. Ядрото на хромонемата е опаковано до хромозоми, имащи вторично стеснение, което се нарича нуклеоларен организатор.
3) в цитоплазмата се образуват два клетъчни центъра (центриоли) и се образуват вретеновидни влакна.
4) в края на профазата ядрената мембрана се разпада и хромозомите са в цитоплазмата.
Наборът от профазни хромозоми е - 2n4s.
2. Метафазата се характеризира с:
1) вретеновидни влакна са прикрепени към центромерите на хромозомите и хромозомите започват да се движат и да се подреждат на екватора на клетката.
2) метафазата се нарича „клетъчен паспорт“, т.к Ясно се вижда, че хромозомата се състои от две хроматиди. Хромозомите са максимално спирализирани, хроматидите започват да се отблъскват една друга, но все още са свързани в областта на центромерите. На този етап се изследва клетъчният кариотип, т.к броят и формата на хромозомите са ясно видими. Фазата е много кратка.
Наборът от метафазни хромозоми е - 2n4s.
3. Анафазата се характеризира с:
1) центромерите на хромозомите се разделят и сестринските хроматиди се отклоняват към полюсите на клетката и стават независими хроматиди, които се наричат ​​дъщерни хромозоми. На всеки полюс в клетката има диплоиден набор от хромозоми.
Анафазният хромозомен набор е 4n4s.
4. Телофазата се характеризира с:
Еднохроматидните хромозоми се деспирализират на полюсите на клетката, образуват се нуклеоли и ядрената обвивка се възстановява.
Наборът от телофазни хромозоми е - 2n2s.
Телофазата завършва с цитокинеза. Цитокинезата е процес на разделяне на цитоплазмата между две дъщерни клетки. Цитокинезата протича по различен начин при растенията и животните.
в животинска клетка. На екватора на клетката се появява пръстеновидно стеснение, което задълбочава и напълно свързва тялото на клетката. В резултат на това се образуват две нови клетки, половината от размера на майката. В зоната на свиване има много актин; микрофиламентите играят роля в движението.
Цитокинезата протича чрез свиване.
IN растителна клетка. На екватора, в центъра на клетката, в резултат на натрупването на везикули на диктиозомите на комплекса на Голджи се образува клетъчна плоча, която расте от центъра към периферията и води до разделяне на майчината клетка в две клетки. В бъдеще преградата се уплътнява, поради отлагането на целулоза, образувайки клетъчна стена.
Цитокинезата протича от преградата.

Въпрос 5. Какво е биологично значениемитоза?
Значение на митоза:
1. Генетична стабилност, като хроматидите се образуват в резултат на репликация, т.е. тяхната наследствена информация е идентична с тази на майката.
2. Растежът на организмите, т.к в резултат на митозата броят на клетките се увеличава.
3. Безполово размножаване – много растителни и животински видове се размножават чрез митотично делене.
4. Регенерацията и заместването на клетките се дължи на митози.
Биологичното значение на митозата.
В резултат на митозата се образуват две дъщерни клетки със същия набор от хромозоми като майката.

Мога. Въпросът е колко прост

ДНК се състои от две вериги, свързани с доста слаба връзка (водородни мостове), усукани в спирала. Всяка верига представлява последователност от специални сложни вещества, наречени нуклеотиди, основната част от които е азотна основа. Има четири вида ДНК: А (аденин), Т (тимин), G (гуанин), С (цитозин). Нуклеотидите в противоположните вериги на ДНК не са подредени произволно, а според определен принцип (комплементарност): „A“ се свързва с „T“, „G“ се свързва с „C“. Всъщност само една верига носи някаква генетична информация, а втората е необходима, за да се поправи първата в случай на нещо (според принципа на допълване)

Сега за самоудвояването. научно наименованиеТози процес е репликация, в резултат на което се образуват две ДНК молекули, но във всяка нова ДНК има една стара майчина верига (полуконсервативен механизъм).

Струва си да се отбележи, че при безядрени организми (прокариоти) и тези с ядро ​​(еукариоти) този процес протича по подобен начин, но с участието на различни ензими. За всеки случай ще кажа, че ензимът е белтъчна молекула, която изпълнява определена специфична биохимична функция.

Така че, първо трябва да развиете спиралата, за това има специален ензим (топоизомераза), той се движи по ДНК веригите, като ги изправя зад себе си, но в същото време се усуква пред себе си по-силно, когато степента на усукване достига определена критично ниво, топоизомераза срязва една от веригите и поради размотаване намалява напрежението, след което се свързва отново и продължава. В комбинация с него действа втори ензим (хеликаза), който разрушава водородните връзки между нишките на изправената ДНК, след което те се разминават в различни посоки.

Освен това процесът протича с разлики: има водеща верига и изоставаща.
Върху водещата нишка в посока на развиване се добавят нуклеотиди от ензима ДНК полимераза 3 по принципа на комплементарност – една ДНК молекула е готова.

На изоставащата верига всичко е по-трудно. ДНК полимеразите имат две неприятни характеристики: първо, те могат да се движат по ДНК вериги само в определена посока и ако на водещата верига това движение е в посока на развиване, то на изоставащата трябва да е в обратна посока ; вторият - за да започне работа, тя трябва да се вкопчи в нещо (научно, за семето). Ролята на семето тук се играе от къси РНК молекули, синтезирани от РНК полимераза също на принципа на комплементарност към ДНК веригата (този ензим не се нуждае от семе), голям брой от тях се синтезират и се придържат към изоставащите верига на много места. След това ДНК полимераза 3 се приближава до тях и запълва празнините между тях. Такова парче РНК + ДНК се нарича фрагмент на Оказаки. Следващата стъпка е отстраняването на РНК последователности от изоставащата ДНК верига: ДНК полимераза 1 успешно се справя с това, което замества един нуклеотид с друг (за ДНК и РНК те се различават по химическа структура). След това отделените участъци се лигират с ензимна лигаза - втората ДНК молекула е готова.

10.03.2015 13.10.2015

ДНК притежава удивително свойство, което не се среща в други познати днес молекули – способността да се самовъзпроизвежда.
Дублирането на ДНК е сложен процес на нейното самовъзпроизвеждане. Поради свойството на молекулите на ДНК да се самовъзпроизвеждат, е възможно възпроизвеждането, както и предаването на наследственост от организма на потомството, тъй като пълните данни за структурата и функционирането са кодирани в генната информация на организмите. ДНК е в основата на наследствените материали на повечето микро- и макроорганизми. Правилното име за процеса на дублиране на ДНК е репликация (редупликация).

Как се предава генетичната информация?

Когато клетките се възпроизвеждат чрез самодупликация, те произвеждат точно копие на собствения си геном, а когато клетките се разделят, всяка получава по едно копие. Това предотвратява изчезването на генетичната информация, съдържаща се в клетките на родителите, което позволява наследствените данни да се съхраняват и предават на потомството.
Всеки организъм има свои собствени характеристики на предаването на наследствеността. Многоклетъчен организъм предава своя геном чрез зародишните клетки, образувани по време на мейоза. Когато те се сливат, има връзка на родителските геноми вътре в зиготата, от която възниква развитието на организъм, съдържащ генетична информация от двамата родители.
Струва си да се отбележи, че за точното предаване на наследствена информация е необходимо тя да бъде копирана в нейната цялост, а също и без грешки. Това е възможно благодарение на специални ензими. Интересен факт е, че тези уникални молекули носят гени, които позволяват на тялото да произвежда необходимите за синтезирането ензими, тоест съдържат всичко необходимо за самовъзпроизвеждането му.

Хипотези за самоудвояване

Въпросът за механизма на репликация на генома остава отворен дълго време. Изследователите предложиха 3 хипотези, които предлагат основните възможни начини за удвояване на генома - това е полуконсервативна теория, консервативна хипотеза или диспергиран механизъм.
Според консервативна хипотеза, в процеса на репликация на наследствени данни, родителската верига на ДНК служи като шаблон за нова верига, така че резултатът от това е, че една верига ще бъде напълно стара, втората - нова. Според полуконсервативната хипотеза се формират гени, които включват както родителски, така и детски нишки. С дисперсния механизъм се приема, че гените съдържат нови и стари фрагменти.
Експеримент, проведен през 1958 г. от учените Мезелсън и Стал, показа, че дублирането на ДНК на генетичен материал предполага наличието на новосинтезирана такава заедно с всяка стара (матрична) верига. Така резултатите от този експеримент доказаха полуконсервативната хипотеза за самоудвояване на генетичната информация.

Как става удвояването?

Процесът на копиране на генома се основава на ензимния синтез на наследствена информация от молекула според принципа на матрицата.
Известно е, че спиралната ДНК е изградена от две нуклеотидни вериги според теорията за комплементарност – докато нуклеотидната база цитозин е комплементарна на гуанидина, а аденина е комплементарна на тимина. Същият принцип важи и за самоудвояването.
Първо, инициирането на вериги се наблюдава по време на репликация. Тук действат ДНК полимерази, ензими, които могат да добавят нови нуклеотиди в посока от 3' края на веригата. Предварително синтезирана верига от ДНК, към която се добавят нуклеотиди, се нарича семе. Синтезът му се осъществява от ензима ДНК прамаза, който се състои от рибонуклеотиди. Именно със семето започва удвояването на генните данни. Когато процесът на синтез вече е започнал, праймерът може да бъде отстранен и полимеразата вмъква нови нуклеотиди на негово място.

Следващата стъпка е развиването на спираловидната ДНК молекула, придружено от разкъсване на водородните връзки, които свързват нишките от ДНК хеликази. Хеликазите се движат по една верига. Когато двойната спирална област се срещне, водородните връзки между нуклеотидите се разрушават отново, което позволява на репликационната вилка да продължи. Освен това учените са открили специални протеини - ДНК топоизомерази, които могат да прекъснат генни низове, да им позволят да се разделят и, ако е необходимо, да свържат прекъсванията на нишките, които са направили по-рано.
След това нишките се разминават, образува се репликационна вилка - самоудвояваща се област, способна да се движи по оригиналната верига, която прилича на нейната бифуркация. Това е мястото, където полимеразите копират генни вериги. Репликираните региони изглеждат като очи, разположени в молекулата. Те се образуват там, където се намират специални точки на произход на репликацията. Такива очи могат да включват една или две репликационни вилици.
Следващата стъпка е завършването на нуклеотидните полимерази до първоначалните родителски втори (дъщерни) вериги съгласно принципа на комплементарност.
Всички нишки са антипаралелни една на друга. Растежът на новосинтезирани вериги се наблюдава в посока от 5' края към 3' (т.е. 3' края е удължен), а отчитането на първоначалната шаблонна верига от ДНК полимераза се наблюдава към 5' края на нишката.
Наред с факта, че дублирането на гени е възможно само от 3'-края, синтезът може да протича едновременно само в една от веригите на репликационната вилица. Синтезът на генетичен материал се извършва върху родителската нишка. В антипаралелната верига синтезът се осъществява в къси (с дължина не повече от 200 нуклеотида) фрагменти (Оказаки). Новосинтезираната верига, получена по непрекъснат начин, е водеща, а тази, сглобена от фрагменти на Оказаки, е изоставаща. Синтезът на фрагменти на Okazaki започва със специален РНК праймер, който се отстранява след употреба след известно време и празни местазапълва с полимеразни нуклеотиди. Това допринася за образуването на една цяла непрекъсната нишка от фрагментите.
Такова копиране се наблюдава с помощта на информация от специален примазен ензимен протеин с участието на хеликаза, които образуват сложна примозома, която се придвижва към отварянето на репликационната вилица и РНК праймера, необходим за синтеза на фрагменти на Оказаки. Като цяло, почти двадесет различни протеина участват и едновременно работят тук по време на самоудвояване.
Резултатът от ферментационните процеси на синтез е образуването на нови генни вериги, които са комплементарни към всяка от отделените вериги.
От това следва, че при самодуплицирането на генетичния материал се наблюдава създаването на две нови двойни спираловидни дъщерни молекули, които включват информация от една новосинтезирана верига и втората верига от оригиналната молекула.

Особености на удвояването на генния материал в различни организми

При бактериите, в процеса на самоудвояване на генния материал, се синтезира целия геном.
При вируси и фаги, които включват в състава си наследствен материал от едноверижна молекула, процесите на самоудвояване са значително различни. В момента, в който те попаднат в клетките на организма гостоприемник, от едноверижна молекула се образува двуверижна молекула, която се завършва по принципа на комплементарността.
Върху новообразуваната молекула (т.нар. специална репликативна форма) се наблюдава синтеза на нови вериги, вече едноверижни, които са част от новите вирусни клетки.
По подобен начин процесите на самоудвояване протичат в РНК-съдържащи клетки на вируси или фаги.
Еукариоти - висшите организми имат процеси на репликация на гени, които се случват по време на интерфазата, предхождаща клетъчното делене. След това следва допълнително разделяне на копираните генетични елементи - хромозоми, както и равномерното им разделяне между собственото им потомство в гените, за да се запазят непроменени и да се предадат на потомството и новите поколения.

Точност на копие на генна молекула

Трябва да се отбележи, че отново синтезираните вериги на генния материал не се различават от матрицата. Следователно по време на процесите
клетъчно делене, всяка дъщеря ще може да получи точно копие на генетичната информация на майката, което допринася за запазването на наследствеността през поколенията.
Всички клетки в комплекс многоклетъчни организмипроизхождат от една ембрионална клетка чрез множество деления. Ето защо всички те от един организъм включват еднакъв състав от гени. Това означава, че в случай на грешка в синтеза на молекули, това ще засегне всички следващи поколения.
Подобни примери са широко известни в медицината. В крайна сметка, ето защо напълно всички червени кръвни клетки на хора, страдащи от сърповидно-клетъчна анемия, съдържат един и същ "развален" хемоглобин. Поради това децата получават състав от гени с отклонения от родителите си чрез предаване през зародишните си клетки.
Въпреки това, днес все още е практически невъзможно да се определи чрез последователността на гена дали дублирането на генома е станало правилно и без грешки. На практика качеството на наследствената информация, получена по наследство, може да се разпознае само по време на развитието на целия организъм.

Скоростта на репликация на генетична информация

Учените са показали това генетична информацияДублирането на ДНК се случва с висока скорост. В бактериални клеткискоростта на удвояване на молекулите е 30 µm в минута. През този кратък период от време към нишката на матрицата могат да се прикрепят почти 500 нуклеотида, при вирусите - около 900 нуклеотида. При еукариотите процесът на удвояване на генома протича по-бавно – само 1,5 – 2,5 микрона в минута. Въпреки това, като се има предвид, че всяка хромозома има няколко точки на произход на тяхната репликация и всяка от които произвежда 2 разклонения на генен синтез, тогава пълната репликация на гена отнема не повече от час.

Практическа употреба

Какво е практическото значение на процеса на репликация? Отговорът на този въпрос е прост – без него животът би бил невъзможен.
След като разкриха механизма на репликация, учените направиха много открития, най-значимото от които беше отбелязано Нобелова награда– откриване на метода на полимеразна верижна реакция (PCR). Открит е през 1983 г. от американеца Кари Мълис, чиято основна задача и цел е да създаде техника, която позволява многократно и последователно репликация на геномен фрагмент, необходим при изследването, с помощта на специален ензим ДНК полимераза.
PCR позволява репликация на генен материал в лабораторията и е необходима за синтез Голям бройкопия на ДНК от малък брой от тях в биологична проба. Такова увеличено количество генетична проба в лабораторията дава възможност за изследването й, което е толкова необходимо при изследването на причините, диагностичните методи и методите за лечение на сложни заболявания (включително наследствени и инфекциозни заболявания).
Също така PCR намери приложение при установяване на бащинство, при клониране на гени и при създаването на нови организми.