Hvorfor er DNA-indholdet konstant i forskellige celler? Genomet: konstant under udvikling

Typer af nukleinsyrer. Der er to typer nukleinsyrer i celler: deoxyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). Disse biopolymerer består af monomerer kaldet nukleotider. Nukleotidmonomererne af DNA og RNA er ens i grundlæggende strukturelle træk. Hvert nukleotid består af tre komponenter forbundet med stærke kemiske bindinger.

Hvert af de nukleotider, der udgør RNA, indeholder et sukker med fem kulstofatomer - ribose; en af ​​fire organiske forbindelser som kaldes nitrogenholdige baser - adenin, guanin, cytosin, uracil (A, G, C, U); phosphorsyrerest.

Nukleotiderne, der udgør DNA'et, indeholder et sukker med fem kulstofatomer - deoxyribose, en af ​​fire nitrogenholdige baser: adenin, guanin, cytosin, thymin (A, G, C, T); phosphorsyrerest.

I sammensætningen af ​​nukleotider er en nitrogenholdig base knyttet til ribose- (eller deoxyribose)-molekylet på den ene side og en fosforsyrerest på den anden. Nukleotider er forbundet med hinanden i lange kæder. Rygraden i en sådan kæde dannes af regelmæssigt vekslende sukker- og fosforsyrerester, og sidegrupperne i denne kæde dannes af fire typer uregelmæssigt vekslende nitrogenholdige baser.

Ris. 7. DNA-strukturdiagram. Hydrogenbindinger er angivet med prikker

Et DNA-molekyle er en struktur bestående af to strenge, der er forbundet med hinanden i hele deres længde hydrogenbindinger(Fig. 7). Denne struktur, der kun er karakteristisk for DNA-molekyler, kaldes en dobbelt helix. Et træk ved DNA-strukturen er, at modsat den nitrogenholdige base A i den ene kæde ligger den nitrogenholdige base T i den anden kæde, og modsat den nitrogenholdige base G er altid den nitrogenholdige base C. Skematisk kan det, der er blevet sagt, udtrykkes som følger :

A (adenin) - T (thymin)
T (thymin) - A (adenin)
G (guanin) - C (cytosin)
C (cytosin) - G (guanin)

Disse par af baser kaldes komplementære baser (komplementerer hinanden). DNA-strenge, hvori baserne er placeret komplementære til hinanden, kaldes komplementære strenge. Figur 8 viser to DNA-strenge, der er forbundet med komplementære områder.

Ris. 8. Udsnit af et dobbeltstrenget DNA-molekyle

Modellen for DNA-molekylets struktur blev foreslået af J. Watson og F. Crick i 1953. Den blev fuldt ud bekræftet eksperimentelt og spillede en yderst vigtig rolle i udviklingen molekylær Biologi og genetik.

Rækkefølgen af ​​arrangement af nukleotider i DNA-molekyler bestemmer rækkefølgen af ​​arrangement af aminosyrer i lineære proteinmolekyler, dvs. deres primære struktur. Et sæt proteiner (enzymer, hormoner osv.) bestemmer cellens og organismens egenskaber. DNA-molekyler gemmer information om disse egenskaber og videregiver dem til generationer af efterkommere, dvs. de er bærere arvelige oplysninger. DNA-molekyler findes hovedsageligt i cellekerner og i små mængder i mitokondrier og kloroplaster.

Hovedtyper af RNA. Arvelig information lagret i DNA-molekyler realiseres gennem proteinmolekyler. Information om proteinets struktur overføres til cytoplasmaet af specielle RNA-molekyler, som kaldes messenger-RNA (mRNA). Messenger RNA overføres til cytoplasmaet, hvor proteinsyntese sker ved hjælp af specielle organeller - ribosomer. Det er messenger-RNA, som er bygget komplementært til en af ​​DNA-strengene, der bestemmer rækkefølgen af ​​aminosyrer i proteinmolekyler. En anden type RNA deltager også i proteinsyntesen - transport-RNA (tRNA), som bringer aminosyrer til stedet for dannelse af proteinmolekyler - ribosomer, en slags fabrikker til produktion af proteiner.

Ribosomer indeholder en tredje type RNA, det såkaldte ribosomale RNA (rRNA), som bestemmer ribosomers struktur og funktion.

Hvert RNA-molekyle er i modsætning til et DNA-molekyle repræsenteret af en enkelt streng; Den indeholder ribose i stedet for deoxyribose og uracil i stedet for thymin.

Så nukleinsyrer udfører de vigtigste biologiske funktioner i cellen. DNA lagrer arvelig information om alle cellens egenskaber og organismen som helhed. Forskellige slags RNA'er deltager i implementeringen af ​​arvelig information gennem proteinsyntese.

1. Se på figur 7 og sig, hvad der er specielt ved DNA-molekylets struktur. Hvilke komponenter udgør nukleotider?
2. Hvorfor betragtes konsistensen af ​​DNA-indholdet i forskellige celler i kroppen som bevis på, at DNA er genetisk materiale?
3. Brug bordet, giv sammenlignende egenskaber DNA og RNA.

1. Et fragment af en DNA-streng har følgende sammensætning: -A-A-A-T-T-C-C-G-G-. Fuldfør den anden kæde.
2. Thyminer står for 20% af DNA-molekylet. samlet antal nitrogenholdige baser. Bestem mængden af ​​nitrogenholdige baser adenin, guanin og cytosin.
3. Hvad er lighederne og forskellene mellem proteiner og nukleinsyrer?

Celler forskellige typer adskiller sig hovedsageligt fra hinanden, fordi ud over de proteiner, der er nødvendige for alle celler, uden undtagelse, for at opretholde vitale funktioner, syntetiserer celler af hver type deres eget sæt af specialiserede proteiner. For eksempel syntetiseres keratin i epidermale celler, hæmoglobin syntetiseres i erytrocytter, krystalliner syntetiseres i linseceller osv. Da hver celletype har specifikke sæt af genprodukter, kan man spørge sig selv, om det blot er fordi cellerne har forskellige sæt gener? Linseceller har for eksempel mistet generne for keratin, hæmoglobin osv., men beholdt de krystallinske gener, eller på grund af amplifikation øgede de selektivt antallet af kopier af krystallinske gener. Men en række data viser, at det ikke er tilfældet: celler af næsten alle typer indeholder det samme komplette genom, som oprindeligt var til stede i det befrugtede æg. Årsagen til forskellene i celleegenskaber er ikke besiddelsen af ​​forskellige sæt gener, men deres differentielle udtryk. Med andre ord er genernes aktivitet reguleret: De kan tændes og slukkes.

Det mest overbevisende bevis på dette blev opnået i forsøg med transplantation af kerner i paddeceller. Som regel tillader størrelsen af ​​paddeæg, at man kan injicere kerner opnået fra andre celler i dem ved hjælp af en mikropipette. Selve æggets kerne ødelægges først ved bestråling med ultraviolet lys. Et prik med en mikropipette stimulerer ægget til at begynde udviklingen. Det viste sig, at når man udskiftede ægcellekernen med en keratinocytkerne fra huden på en voksen frø eller en erytrocytkerne, blev der opnået normale svømmehaletudser. Sådanne eksperimenter har en række begrænsninger: de er vellykkede, når man kun bruger kernerne fra nogle differentierede celler og æg af visse arter. Resultaterne af andre undersøgelser giver os imidlertid mulighed for at komme til den konklusion, at genomets konstanthed opretholdes under udviklingen.

Der er flere kendte undtagelser fra denne regel. Hos nogle hvirvelløse dyr, i somatiske (ikke-reproduktive) celler, går en del af de kromosomer, der er til stede i kimcelleceller (forstadier til kønsceller), tabt allerede i de tidlige udviklingsstadier. I oocytterne fra nogle andre dyr (inklusive Xenopus laevis) forekommer selektiv replikation af ribosomale RNA-gener, og i larverne af nogle insekter forekommer ulige polytenisering af kromosomer, hvilket resulterer i øget amplifikation af nogle specifikke gener. Syntesen af ​​antistoffer og antigenspecifikke receptorer af lymfocytter i hvirveldyr involverer splejsning af DNA-fragmenter placeret forskellige steder i genomet af disse specialiserede celler. Splejsning sker, når disse celler differentieres. (

Tutorial

Ansvarlig for udgivelsen er Finaev V.I.

Redaktør Belova L.F.

Rektor Protsenko I.A.

LP nr. 020565 dateret 23.-6.1997 Signeret til udgivelse

Offsettryk Betingelser p.l. – 10.1 Uch.-ed.l. – 9.7

Best.nr Oplag 500 eksemplarer.

_____________________________________________________

Forlaget SFU

SFU Trykkeri

GSP 17A, Taganrog, 28, Nekrasovsky, 44

1. Bevis på DNA's genetiske rolle

2. Kemisk struktur nukleinsyrer

3.1. DNA struktur

3.2. Niveauer af DNA-komprimering

3.3. DNA replikation

3.4. DNA reparation

3.5. Funktioner af DNA

5.1. Grundlæggende bestemmelser i genets systemkoncept

5.2. Plasmogener

5.3. Gen-egenskaber

5.4. Genfunktioner

5.5. Genstruktur af pro- og eukaryoter

5.6. Regulering af genfunktion

6. Udtryksstadier genetisk information

6.1. Transskription

6.2. Forarbejdning

6.3. Udsende

6.3.1. Egenskaber af den genetiske kode

6.3.2. Aminosyreaktivering

6.3.3. Udsendelsesfaser

6.4. Proteinbehandling

Kort biografisk information

MOLEKYLÆR BASIS FOR ARV.

Vi gik ind i buret, vores vugge, og begyndte

lave en opgørelse over den formue, vi har erhvervet.

Albert Claude (1974)

Bevis på DNA's genetiske rolle.

Nukleinsyrer opdaget af en schweizisk biokemiker F. Misher i 1869 i kernerne af pusceller (leukocytter) og sædceller. I 1891, en tysk biokemiker A. Kessel viste, at nukleinsyrer består af sukkerrester, phosphorsyre og fire nitrogenholdige baser, som er derivater af purin og pyrimidin. Han var den første til at bevise eksistensen af ​​to typer nukleinsyrer - DNA Og RNA. Derefter i 1908 - 1909 F. Levene der blev givet en beskrivelse af strukturen af ​​nukleosider og nukleotider, og i 1952 af engelske forskere ledet af A. Todd– phosphodiesterbinding. I 20'erne Felgen opdagede DNA i kromosomer, og RNA'er blev fundet i kernen og cytoplasmaet. I 1950 E. Chargaff med samarbejdspartnere fra Columbia University etableret forskelle i nukleotidsammensætningen af ​​DNA i forskellige typer.

I 1953 Amerikansk biokemiker og genetiker J. Watson og den engelske fysiker F. Crick foreslog en model af den dobbelte helix af DNA. Denne dato betragtes officielt som din fødselsdag ny industri biologisk videnskab – molekylær Biologi.

Det skal bemærkes, at i de år, hvor der ikke engang var en antydning af nukleinsyrernes genetiske rolle, blev de af alle opfattet som et ret mærkeligt materiale, kemisk set ikke særlig meget. kompleks struktur(nitrogenbaser, pentoser, phosphorsyrerest). Imidlertid blev deres funktionelle betydning dechiffreret meget senere, hvilket skyldtes uvidenhed om de strukturelle træk ved nukleinsyrer. Fra videnskabsmænds synspunkt fra slutningen af ​​det 19. og begyndelsen af ​​det 20. århundrede var de ringere i kompleksitet og kombinerbarhed i forhold til proteiner, hvis monomerer var 20 typer aminosyrer. Derfor var det generelt accepteret i videnskaben, at proteiner er bærere af arvelig information, fordi mangfoldigheden af ​​aminosyrer gjorde det muligt at kode for hele rækken af ​​egenskaber og karakteristika for levende organismer.

Skønt tilbage i 1914, en russisk forsker Shchepotyev udtrykte ideen om nukleinsyrernes mulige rolle i arvelighed, men var ikke i stand til at bevise sit synspunkt. Dog gradvist akkumuleret videnskabelige fakta om nukleinsyrernes genetiske rolle.

1928 engelsk mikrobiolog Frederick Griffith arbejdede med to stammer af mikroorganismer: virulent (havde en polysaccharidkapsel) og avirulent (havde ikke en kapsel) (fig. 1). Virulent forårsaget lungebetændelse hos mus og deres død. Hvis den virulente stamme opvarmes, inaktiveres den og er ikke farlig - alle mus overlever (datidens videnskabsmænds postulat: genet er af proteinkarakter; ved opvarmning denaturerer proteiner og mister deres biologiske aktivitet). Hvis du blander opvarmet virulent og levende avirulent, så dør nogle af musene. Ved obduktion af mus blev der fundet virulente kapselformer i dem. Et lignende billede blev observeret, hvis et cellefrit ekstrakt fra virulente former blev tilsat til en levende avirulent bakteriestamme. Fra disse eksperimenter konkluderede F. Griffith, at en eller anden faktor overføres fra varmedræbte virulente former og cellefrie ekstrakter til levende ikke-kapselformer, som omdanner den avirulente form til en virulent. Dette fænomen kaldes " transformation"bakterier og forblev et mysterium i mange år."

Ris. 1 F. Griffiths forsøg på transformation i bakterier.

1. Da mus blev inficeret med avirulente pneumokokker, overlevede de alle.

2. Når mus blev inficeret med virulente pneumokokker, døde de alle af lungebetændelse.

3. Da mus blev inficeret med varmedræbte virulente pneumokokker, overlevede de alle.

4. Når mus er inficeret med en blanding af levende avirulent og varmedræbt

virulente pneumokokker, nogle mus døde.

5. Da mus blev inficeret med en blanding af levende avirulente pneumokokker og et ekstrakt fra varmedræbte virulente pneumokokker, døde nogle af musene. ("From Molecules to Man," 1973, s. 83)

F. Griffith kunne imidlertid ikke forklare karakteren af ​​den transformerende faktor. Amerikanske videnskabsmænd gjorde det O. Avery, J. Mac-Leod, M. Mac-Carty i 1944. De viste, at oprensede pneumokok-DNA-ekstrakter kunne inducere bakteriel transformation. Det oprensede transformationsmiddel indeholdt en lille mængde proteiner. Proteolytiske enzymer inaktiverede det ikke, men det gjorde deoxyribonuclease. Med deres strålende eksperimenter viste de at DNA er det stof, der ændrer genetisk information. Disse eksperimenter var de første videnskabeligt bevis nukleinsyrers genetiske rolle. Dette problem blev endelig løst i eksperimenter med bakterielle vira - bakteriofager i 1948 – 1952. Bakteriofager har en meget enkel struktur: de består af en proteinskal og et molekyle nukleinsyre. Dette gør dem til et ideelt materiale til at studere spørgsmålet om, hvorvidt protein eller DNA tjener som genetisk materiale. I forsøg med mærkede forbindelser A. Hershey Og M. Chase(1952) blev det overbevisende vist det DNA er bæreren af ​​genetisk information, da virussen sprøjter det ind i kroppen bakteriecelle, og protein-"skallen" forbliver udenfor (fig. 2).

Fig.2. Bakteriofag T 2 Ved hjælp af en "hale" sætter den sig fast på bakterien. Han introducerer sit DNA i det, hvorefter det replikerer og syntetiserer nye proteinskaller. Bakterien brister derefter og frigiver mange nye viruspartikler, som hver især kan inficere en ny bakterie (“From Molecules to Man,” 1973, s. 86)

Som et resultat af de ovenfor beskrevne eksperimenter blev det klart, at bakterier og fager tjener som genetisk materiale DNA. Men er det bæreren af ​​arvelig information i eukaryote celler? Svaret på dette spørgsmål blev opnået i overførselsforsøg hele kromosomer fra en celle til en anden. Modtagercellerne viste nogle tegn på donorcellen. Og så takket være succesen genteknologi, kunne tilføje individuelle gener(DNA, der kun indeholder ét gen), som blev tabt af mutantcellerne. Disse eksperimenter etableret at DNA i eukaryoter er arvematerialet og muligheden for overførsel blev bevist gener imellem forskellige typer og samtidig bevare deres funktionelle egenskaber.

Følgende fakta taler om den genetiske funktion af DNA:

1. Lokalisering af DNA er næsten udelukkende i kromosomer.

2. Det konstante antal kromosomer i celler af en art er 2n.

3. Konstansen af ​​mængden af ​​DNA i celler af samme art er lig med 2C eller 4C, afhængigt af stadiet af cellecyklussen.

4. Halvdelen af ​​mængden af ​​DNA i kimcellernes kerner

5. Mutageners indflydelse på den kemiske struktur af DNA.

6. Fænomenet med genetisk rekombination i bakterier under deres konjugation.

7. Fænomenet transduktion - overførsel genetisk materiale fra en bakteriestamme til en anden ved hjælp af fag-DNA.

8. Infektiøs funktion af isoleret viral nukleinsyre.

Genetikere var i stand til at finde ud af, hvorfor cellerne selv udvikler sig forskelligt, selvom DNA'et i alle kroppens celler er det samme. De fandt en kode, der blokerer informationssektioner af den genetiske kode. Desuden viste koden sig at være universel for forskellige typer.

I genetisk kode Ud over den information, der definerer alle de proteiner, som en celle kan producere, er der fundet en anden kodningsmekanisme. Koden fastlægger proceduren for blokering af oplysninger. Det er utilgængeligt at aflæse i de dele af DNA-molekylet, hvor kæden er viklet omkring histoner - en slags proteinspiraler, og koden angiver stederne, hvor de snoes.

Nukleotidsekvenserne, der bestemmer placeringen af ​​blokerede DNA-stykker, blev beskrevet af Eran Segal fra det israelske Weizmann Institute og Jonathan Widom fra Northwestern University i Illinois i det seneste nummer af tidsskriftet Nature.

Biologer har i årevis haft mistanke om, at specielle faktorer favoriserer de områder af DNA, der nemmest omslutter nukleosomer. Men hvad disse faktorer var, var uklart. Forskere analyserede mere end to hundrede sektioner af gær-DNA foldet til nukleosomer.

Og de opdagede skjulte mærker - en speciel sekvens af nukleotidpar i nogle dele af kæden, der bestemmer tilgængeligheden af ​​det genetiske materiale, der følger dem. De er placeret i den tidligere betragtede "junk" del af DNA'et.

Ved at kende disse nøglesteder var forskerne i stand til korrekt at forudsige placeringen af ​​50% af nukleosomer i celler af lignende væv i andre arter (hver celle indeholder omkring 30 millioner nukleosomer).

Faktisk betyder opdagelsen etableringen af ​​en mekanisme til blokering af genetisk information, som er universel for alle levende organismer.

Dr. Segal, sagde han, var meget overrasket over et så godt resultat. Ifølge hans antagelse bevæger nukleosomer sig ofte, hvilket åbner nye dele af DNA til læsning. Placeringen af ​​den uopløste halvdel af det oprullede DNA bestemmes af konkurrence mellem nukleosomer og andre låsemekanismer.

På frie sektioner af DNA, hvis det er nødvendigt at transskribere et gen (for at skabe et nyt protein), implementeres en lignende naturlig mekanisme af mærker. Forskere har kendt til denne kode i lang tid: foran genet, der bestemmer stoffet, er der 6-8 nukleotidpar, der "forklarer" det.

Selve nukleosomspolerne er sammensat af histonproteiner. I evolutionsprocessen har histoner vist sig at være de mest modstandsdygtige over for ændringer. De adskiller sig praktisk talt ikke mellem forskellige typer af levende organismer. Således adskiller ærter og køers histoner sig kun i to af de 102 aminosyreforbindelser. Og da enhver information om et protein er indeholdt i form af en sekvens af nukleotidpar i DNA-koden, har videnskabsmænd længe antaget, at der er en mekanisme til at blokere information i DNA-koden, svarende til mange organismer. Skrevet som en sekvens af nukleotidpar, kan det kun være nukleosomkoden.

Og kombinationen af ​​læsekoden og blokeringskoden bestemmer, hvad en given celle bliver til under udviklingen af ​​organismen fra embryonet.

Nyhedsmeddelelser- Hvad er dette?

Hvorfor kunstnere bliver præsidenter Om hvordan erfarne journalister, bloggere og kunstnere bruger deres evner til at lyve til fordel for deres ideer og aktivt fremme disse løgne ved hjælp af sofistikeret, længe indøvet retorik. : . 26/06/2019

Funktioner ved at forstå kredsløbssystemer Hvad er hovedårsagerne til den nuværende misforståelse af funktionerne af adaptive niveauer? evolutionær udvikling hjerne:. 22/03/2019

Om ytringsfrihed Et essay om ytringsfrihed, demokrati og hvad man skal stille op med de strømme af løgne, der flyder fra det talte ord: . 20/03/2019

Optimal kreativitetshastighed Skal vi stræbe efter maksimal hastighed kreativitet og dens produktivitet? . 13/03/2019

Konstruktion af en model for fremtidens samfund Fremtidsmodel baseret på ideer om psykens organisering: . 24/02/2019

Adaptologi klasser Asynkron online skole: . 14-10-2018

Om support til online læring på Fornits hjemmeside Værktøjer til at skabe din egen online skole: . 08-10-2018

Mytesamfund Hvordan man ikke når den etiske bund, når det talte ord er løgn:. 16/09/2018

Om reorganiseringen af ​​den akademiske videnskab Man har forsøgt at finde retninger til løsning af akademisk videnskabs problemer netop ud fra modellen for psykens organisering:

Kromosomer består af kromatin - en kombination af DNA og proteiner (histoner). Dette kompleks har en kompleks rumlig konfiguration.

Arten af ​​forbindelsen (pakningen) i kromosomet af et meget langt DNA-molekyle (dets længde når hundreder og endda tusindvis af mikrometer) og talrige, relativt kompakte proteinmolekyler er endnu ikke blevet fuldt belyst.

Det antages, at en kæde af mange proteinmolekyler er i midten, og DNA er snoet rundt i form af en spiral. Ud over disse to hovedforbindelser blev der fundet små mængder RNA, lipider og nogle salte i kromatin.

Konstans af mængden af ​​DNA i kernen

Hver plante- og dyreart indeholder en strengt defineret og konstant mængde DNA i cellekernen. Forskellige arter af organismer har væsentligt forskelligt DNA-indhold. For eksempel i en kerne af en haploid celle (i en sædcelle) søpindsvin indeholder 0,9 10 -9 mg DNA, karper - 1,64 10 -9, hane - 1,26 10 -9, tyr - 3,42 10 -9, menneske - 3,25 10 - 9 mg. For nogle planter er disse tal væsentligt højere. I en lilje, for eksempel, indeholder en haploid celle 58,0·10 -9 mg DNA.

I kernerne i alle somatiske (diploide) celler af hver type organisme er DNA-indholdet også konstant og det dobbelte af mængden af ​​DNA i de haploide celler af denne art.

Endnu vigtigere er specificiteten af ​​nukleotidsammensætningen af ​​DNA. sovjetisk videnskabsmand akademiker A.N. Belozersky konstaterede, at DNA isoleret fra forskellige væv fra den samme organisme har den samme nukleotidsammensætning. Det afhænger ikke af organismens alder og påvirkningen ydre miljø. Samtidig indeholder DNA isoleret fra celler af forskellige arter nitrogenholdige baser i forskellige proportioner.