Hvorfor er DNA-innholdet konstant i ulike celler? Genomet: konstanthet under utvikling

Typer nukleinsyrer. Det er to typer nukleinsyrer i celler: deoksyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). Disse biopolymerene består av monomerer kalt nukleotider. Nukleotidmonomerene til DNA og RNA er like i grunnleggende strukturelle trekk. Hvert nukleotid består av tre komponenter forbundet med sterke kjemiske bindinger.

Hvert av nukleotidene som utgjør RNA inneholder en fem-karbon sukker - ribose; en av fire organiske forbindelser som kalles nitrogenholdige baser - adenin, guanin, cytosin, uracil (A, G, C, U); fosforsyrerester.

Nukleotidene som utgjør DNA inneholder et fem-karbon sukker - deoksyribose, en av fire nitrogenholdige baser: adenin, guanin, cytosin, tymin (A, G, C, T); fosforsyrerester.

I sammensetningen av nukleotider er en nitrogenholdig base festet til ribose (eller deoksyribose) molekylet på den ene siden, og en fosforsyrerest på den andre. Nukleotider er forbundet med hverandre i lange kjeder. Ryggraden i en slik kjede dannes av regelmessig vekslende sukker- og fosforsyrerester, og sidegruppene i denne kjeden dannes av fire typer uregelmessig vekslende nitrogenholdige baser.

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

Et DNA-molekyl er en struktur som består av to tråder som er forbundet med hverandre i hele lengden hydrogenbindinger(Fig. 7). Denne strukturen, unik for DNA-molekyler, kalles en dobbel helix. Et trekk ved DNA-strukturen er at motsatt nitrogenbasen A i den ene kjeden ligger nitrogenbasen T i den andre kjeden, og overfor nitrogenbasen G er alltid nitrogenbasen C. Skjematisk kan det som er sagt uttrykkes som følger :

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

Disse baseparene kalles komplementære baser (som utfyller hverandre). DNA-tråder der basene er plassert komplementære til hverandre kalles komplementære tråder. Figur 8 viser to DNA-tråder som er forbundet med komplementære områder.

Ris. 8. Utsnitt av et dobbelttrådet DNA-molekyl

Modellen for strukturen til DNA-molekylet ble foreslått av J. Watson og F. Crick i 1953. Den ble fullstendig bekreftet eksperimentelt og spilte en ekstremt viktig rolle i utviklingen molekylærbiologi og genetikk.

Ordningsrekkefølgen av nukleotider i DNA-molekyler bestemmer rekkefølgen for arrangement av aminosyrer i lineære proteinmolekyler, dvs. deres primære struktur. Et sett med proteiner (enzymer, hormoner, etc.) bestemmer egenskapene til cellen og organismen. DNA-molekyler lagrer informasjon om disse egenskapene og gir dem videre til generasjoner av etterkommere, det vil si at de er bærere arvelig informasjon. DNA-molekyler finnes hovedsakelig i cellekjerner og i små mengder i mitokondrier og kloroplaster.

Hovedtyper av RNA. Arvelig informasjon lagret i DNA-molekyler realiseres gjennom proteinmolekyler. Informasjon om strukturen til proteinet overføres til cytoplasmaet av spesielle RNA-molekyler, som kalles messenger-RNA (mRNA). Messenger RNA overføres til cytoplasmaet, hvor proteinsyntese skjer ved hjelp av spesielle organeller - ribosomer. Det er messenger-RNA, som er bygget komplementært til en av DNA-trådene, som bestemmer rekkefølgen på aminosyrer i proteinmolekyler. En annen type RNA deltar også i proteinsyntesen - transport-RNA (tRNA), som bringer aminosyrer til stedet for dannelse av proteinmolekyler - ribosomer, en slags fabrikker for produksjon av proteiner.

Ribosomer inneholder en tredje type RNA, det såkalte ribosomale RNA (rRNA), som bestemmer strukturen og funksjonen til ribosomer.

Hvert RNA-molekyl, i motsetning til et DNA-molekyl, er representert av en enkelt tråd; Den inneholder ribose i stedet for deoksyribose og uracil i stedet for tymin.

Så nukleinsyrer utfører de viktigste biologiske funksjonene i cellen. DNA lagrer arvelig informasjon om alle egenskapene til cellen og organismen som helhet. Ulike typer RNA-er deltar i implementeringen av arvelig informasjon gjennom proteinsyntese.

1. Se på figur 7 og si hva som er spesielt med strukturen til DNA-molekylet. Hvilke komponenter utgjør nukleotider?
2. Hvorfor anses konsistensen av DNA-innhold i ulike celler i kroppen som bevis på at DNA er genetisk materiale?
3. Bruk tabellen, gi komparative egenskaper DNA og RNA.

1. Et fragment av en DNA-streng har følgende sammensetning: -A-A-A-T-T-C-C-G-G-. Fullfør den andre kjeden.
2. Thyminer står for 20 % av DNA-molekylet. totalt antall nitrogenholdige baser. Bestem mengden nitrogenholdige baser adenin, guanin og cytosin.
3. Hva er likhetene og forskjellene mellom proteiner og nukleinsyrer?

Celler ulike typer skiller seg fra hverandre hovedsakelig fordi, i tillegg til proteinene som kreves av alle celler uten unntak for å opprettholde vitale funksjoner, syntetiserer celler av hver type sitt eget sett med spesialiserte proteiner. For eksempel syntetiseres keratin i epidermale celler, hemoglobin syntetiseres i erytrocytter, krystalliner syntetiseres i linseceller, etc. Siden hver celletype har spesifikke sett med genprodukter, kan man spørre seg om dette rett og slett er fordi cellene har ulike sett gener? Linseceller har for eksempel mistet genene for keratin, hemoglobin osv., men beholdt krystallingenene, eller på grunn av amplifikasjon økte de selektivt antall kopier av krystallinske gener. Imidlertid viser en rekke data at dette ikke er tilfelle: celler av nesten alle typer inneholder det samme komplette genomet, som opprinnelig var til stede i det befruktede egget. Årsaken til forskjellene i celleegenskaper er ikke besittelsen av forskjellige sett med gener, men deres differensielle uttrykk. Med andre ord er aktiviteten til gener regulert: de kan slås av og på.

Det mest overbevisende beviset på dette ble oppnådd i eksperimenter med transplantasjon av kjerner til amfibieceller. Som regel lar størrelsen på amfibieegg en injisere kjerner hentet fra andre celler inn i dem ved hjelp av en mikropipette. Kjernen i selve egget blir først ødelagt ved bestråling med ultrafiolett lys. Et stikk med en mikropipette stimulerer egget til å begynne utviklingen. Det viste seg at ved å erstatte eggcellekjernen med en keratinocyttkjerne fra huden til en voksen frosk eller en erytrocyttkjerne, ble det oppnådd normale svømmende rumpetroll. Slike eksperimenter har en rekke begrensninger: de er vellykkede når man bruker kjernene til bare noen differensierte celler og egg fra visse arter. Resultatene fra andre studier lar oss imidlertid komme til den konklusjon at genomets konstanthet opprettholdes under utviklingen.

Det er flere kjente unntak fra denne regelen. For eksempel, hos noen virvelløse dyr, i somatiske (ikke-reproduktive) celler, går en del av kromosomene som er tilstede i kimlinjeceller (forløpere til kjønnsceller) tapt allerede i de tidlige utviklingsstadiene. I oocyttene til noen andre dyr (inkludert Xenopus laevis) forekommer selektiv replikering av ribosomale RNA-gener, og i larvene til noen insekter oppstår ulik polytenisering av kromosomer, noe som resulterer i økt amplifisering av noen spesifikke gener. Syntesen av antistoffer og antigenspesifikke reseptorer av lymfocytter hos virveldyr involverer spleising av DNA-fragmenter lokalisert i genomet til disse spesialiserte cellene på forskjellige steder. Skjøting skjer når disse cellene differensierer. (

Opplæring

Ansvarlig for utgivelsen er Finaev V.I.

Redaktør Belova L.F.

Korrektor Protsenko I.A.

LP nr. 020565 datert 23.-6.1997 Signert for publisering

Offsettrykkbetingelser p.l. – 10.1 Uch.-ed.l. – 9.7

Best.nr Opplag 500 eksemplarer.

_____________________________________________________

Forlag SFU

SFU Trykkeri

GSP 17A, Taganrog, 28, Nekrasovsky, 44

1. Bevis på den genetiske rollen til DNA

2. Kjemisk struktur nukleinsyrer

3.1. DNA-struktur

3.2. Nivåer av DNA-komprimering

3.3. DNA-replikasjon

3.4. DNA-reparasjon

3.5. Funksjoner av DNA

5.1. Grunnleggende bestemmelser i systemet konseptet av genet

5.2. Plasmogener

5.3. Genegenskaper

5.4. Genfunksjoner

5.5. Genstruktur av pro- og eukaryoter

5.6. Regulering av genfunksjon

6. Uttrykksstadier genetisk informasjon

6.1. Transkripsjon

6.2. Behandling

6.3. Kringkaste

6.3.1. Egenskaper til den genetiske koden

6.3.2. Aminosyreaktivering

6.3.3. Kringkastingsstadier

6.4. Proteinbehandling

Kort biografisk informasjon

MOLEKYLÆR BASIS FOR ARV.

Vi gikk inn i buret, vuggen vår, og begynte

gjøre en oversikt over formuen vi har skaffet oss.

Albert Claude (1974)

Bevis på den genetiske rollen til DNA.

Nukleinsyrer oppdaget av en sveitsisk biokjemiker F. Misher i 1869 i kjernene til pussceller (leukocytter) og sædceller. I 1891, en tysk biokjemiker A. Kessel viste at nukleinsyrer består av sukkerrester, fosforsyre og fire nitrogenholdige baser, som er derivater av purin og pyrimidin. Han var den første som beviste eksistensen av to typer nukleinsyrer - DNA Og RNA. Så i 1908 - 1909 F. Levene det ble gitt en beskrivelse av strukturen til nukleosider og nukleotider, og i 1952 av engelske forskere ledet av A. Todd– fosfodiesterbinding. På 20-tallet Felgen oppdaget DNA i kromosomer, og RNA ble funnet i kjernen og cytoplasma. I 1950 E. Chargaff med samarbeidspartnere fra Columbia University etablerte forskjeller i nukleotidsammensetningen av DNA i forskjellige typer.

I 1953 Amerikansk biokjemiker og genetiker J. Watson og den engelske fysikeren F. Crick foreslo en modell av den doble helixen av DNA. Denne datoen regnes offisielt som bursdagen din ny industri biologisk vitenskap – molekylærbiologi.

Det skal bemerkes at i årene da det ikke en gang var et snev av den genetiske rollen til nukleinsyrer, ble de oppfattet av alle som et ganske merkelig materiale, kjemisk sett lite kompleks struktur(nitrogenbaser, pentoser, fosforsyrerester). Imidlertid ble deres funksjonelle betydning dechiffrert mye senere, noe som skyldtes uvitenhet om de strukturelle egenskapene til nukleinsyrer. Fra synspunktet til forskere fra slutten av 1800- og begynnelsen av 1900-tallet var de dårligere i kompleksitet og kombinerbarhet enn proteiner hvis monomerer var 20 typer aminosyrer. Derfor var det generelt akseptert i vitenskapen at proteiner er bærere av arvelig informasjon, fordi mangfoldet av aminosyrer gjorde det mulig å kode hele variasjonen av egenskaper og egenskaper til levende organismer.

Skjønt tilbake i 1914, en russisk forsker Shchepotyev uttrykte ideen om den mulige rollen til nukleinsyrer i arv, men klarte ikke å bevise hans synspunkt. Men gradvis akkumulert vitenskapelige fakta om den genetiske rollen til nukleinsyrer.

1928 Engelsk mikrobiolog Frederick Griffith arbeidet med to stammer av mikroorganismer: virulent (hadde en polysakkaridkapsel) og avirulent (hadde ikke kapsel) (fig. 1). Virulent forårsaket lungebetennelse hos mus og deres død. Hvis den virulente stammen varmes opp, inaktiveres den og er ikke farlig - alle mus overlever (postulatet til forskerne på den tiden: genet er av proteinkarakter; ved oppvarming denaturerer proteiner og mister sin biologiske aktivitet). Hvis du blander oppvarmet virulent og levende avirulent, dør noen av musene. Ved obduksjon av mus ble det funnet virulente kapselformer i dem. Et lignende bilde ble observert hvis et cellefritt ekstrakt fra virulente former ble tilsatt en levende avirulent bakteriestamme. Fra disse eksperimentene konkluderte F. Griffith at en eller annen faktor overføres fra varmedrepte virulente former og cellefrie ekstrakter til levende ikke-kapselformer, som omdanner den avirulente formen til en virulent. Dette fenomenet kalles " transformasjon"bakterier og forble et mysterium i mange år."

Ris. 1 F. Griffiths eksperimenter på transformasjon i bakterier.

1. Da mus ble infisert med avirulente pneumokokker, overlevde de alle.

2. Når mus ble infisert med virulente pneumokokker, døde de alle av lungebetennelse.

3. Da mus ble infisert med varmedrepte virulente pneumokokker, overlevde de alle.

4. Når mus er infisert med en blanding av levende avirulente og varme-drepte

virulente pneumokokker, noen mus døde.

5. Da mus ble infisert med en blanding av levende avirulente pneumokokker og et ekstrakt fra varmedrepte virulente pneumokokker, døde noen av musene. ("From Molecules to Man," 1973, s. 83)

F. Griffith kunne imidlertid ikke forklare arten av den transformerende faktoren. Amerikanske forskere gjorde det O. Avery, J. Mac-Leod, M. Mac-Carty i 1944. De viste at rensede pneumokokk-DNA-ekstrakter kunne indusere bakteriell transformasjon. Det rensede transformasjonsmidlet inneholdt liten mengde proteiner. Proteolytiske enzymer inaktiverte det ikke, men deoksyribonuklease gjorde det. Med sine strålende eksperimenter viste de at DNA er stoffet som endrer genetisk informasjon. Disse eksperimentene var de første vitenskapelig bevis genetiske rollen til nukleinsyrer. Dette problemet ble endelig løst i eksperimenter på bakterielle virus - bakteriofager i 1948 – 1952. Bakteriofager har en veldig enkel struktur: de består av et proteinskall og et molekyl nukleinsyre. Dette gjør dem til et ideelt materiale for å studere spørsmålet om protein eller DNA fungerer som genetisk materiale. I forsøk med merkede forbindelser A. Hershey Og M. Chase(1952) ble det på en overbevisende måte vist det DNA er bæreren av genetisk informasjon, siden viruset sprøyter det inn i kroppen bakteriecelle, og proteinet "skallet" forblir utenfor (fig. 2).

Fig.2. Bakteriofag T 2 Ved hjelp av en "hale" fester den seg til bakterien. Han introduserer sitt DNA i det, hvoretter det replikerer og syntetiserer nye proteinskall. Bakterien brister så og frigjør mange nye viruspartikler, som hver kan infisere en ny bakterie (“From Molecules to Man,” 1973, s. 86)

Som et resultat av forsøkene beskrevet ovenfor, ble det klart at bakterier og fager fungerer som genetisk materiale DNA. Men er det bæreren av arvelig informasjon i eukaryote celler? Svaret på dette spørsmålet ble oppnådd i overføringsforsøk hele kromosomer fra en celle til en annen. Mottakercellene viste noen tegn på donorcellen. Og så, takket være suksessen genteknologi, kunne legge til individuelle gener(DNA som inneholder bare ett gen) som ble tapt av mutantcellene. Disse eksperimentene etablert at DNA i eukaryoter er arvestoffet og muligheten for overføring ble påvist gener mellom forskjellige typer samtidig som de beholder sine funksjonelle egenskaper.

Følgende fakta snakker om den genetiske funksjonen til DNA:

1. Lokalisering av DNA er nesten utelukkende i kromosomer.

2. Det konstante antallet kromosomer i celler av en art er 2n.

3. Konstansen av mengden DNA i celler av samme art er lik 2C eller 4C, avhengig av stadiet av cellesyklusen.

4. Halvparten av mengden DNA i kjernen til kjønnsceller

5. Påvirkningen av mutagener på den kjemiske strukturen til DNA.

6. Fenomenet med genetisk rekombinasjon i bakterier under deres konjugering.

7. Fenomenet transduksjon - overføring genetisk materiale fra en bakteriestamme til en annen ved hjelp av fag-DNA.

8. Infeksiøs funksjon av isolert viral nukleinsyre.

Genetikere har klart å finne ut hvorfor, selv om DNA i alle celler i kroppen er likt, utvikler cellene seg forskjellig. De fant en kode som blokkerer informasjonsdeler av den genetiske koden. Dessuten viste koden seg å være universell for forskjellige typer.

I genetisk kode I tillegg til informasjonen som definerer alle proteinene som en celle kan produsere, er det funnet en annen kodemekanisme. Koden fastsetter prosedyren for blokkering av informasjon. Det er utilgjengelig for lesing i de delene av DNA-molekylet hvor kjeden er viklet rundt histoner - en slags proteinspiraler, og koden indikerer stedene for vridning.

Nukleotidsekvensene som bestemmer plasseringen av blokkerte DNA-biter ble beskrevet av Eran Segal fra det israelske Weizmann Institute og Jonathan Widom fra Northwestern University i Illinois i siste utgave av tidsskriftet Nature.

Biologer har i årevis mistenkt at spesielle faktorer favoriserer DNA-områdene som lettest omslutter nukleosomer. Men hva disse faktorene var var uklart. Forskere analyserte mer enn to hundre deler av gjær-DNA foldet til nukleosomer.

Og de oppdaget skjulte merker – en spesiell sekvens av nukleotidpar i enkelte deler av kjeden som bestemmer tilgjengeligheten til det genetiske materialet som følger dem. De er lokalisert i den tidligere ansett som "søppel"-delen av DNA.

Ved å kjenne disse nøkkelstedene, var forskerne i stand til å forutsi plasseringen av 50 % av nukleosomer i celler av lignende vev i andre arter (hver celle inneholder omtrent 30 millioner nukleosomer).

Faktisk betyr oppdagelsen etableringen av en mekanisme for blokkering av genetisk informasjon som er universell for alle levende organismer.

Dr. Segal, sa han, var veldig overrasket over et så godt resultat. I følge hans antagelse beveger nukleosomer seg ofte, og åpner nye deler av DNA for lesing. Plasseringen av den oppløste halvdelen av det kveilede DNA bestemmes av konkurranse mellom nukleosomer og andre låsemekanismer.

På frie deler av DNA, hvis det er nødvendig å transkribere et gen (for å lage et nytt protein), implementeres en lignende naturlig mekanisme for merker. Forskere har visst om denne koden i lang tid: foran genet som bestemmer stoffet, er det 6–8 nukleotidpar som "forklarer" det.

Selve nukleosomspolene er sammensatt av histonproteiner. I evolusjonsprosessen har histoner vist seg å være de mest motstandsdyktige mot endringer. De skiller seg praktisk talt ikke mellom ulike typer levende organismer. Dermed er histonene til erter og kuer forskjellige i bare to av de 102 aminosyreforbindelsene. Og siden all informasjon om et protein finnes i form av en sekvens av nukleotidpar i DNA-koden, har forskere lenge antatt at det finnes en mekanisme for å blokkere informasjon i DNA-koden, som ligner på mange organismer. Skrevet som en sekvens av nukleotidpar, kan det bare være nukleosomkoden.

Og kombinasjonen av lesekoden og blokkeringskoden bestemmer hva en gitt celle vil bli til under utviklingen av organismen fra embryoet.

Nyhetskunngjøringer- Hva er dette?

Hvorfor artister blir presidenter Om hvordan erfarne journalister, bloggere og kunstnere bruker sine ferdigheter til å lyve til fordel for ideene deres og aktivt fremme disse løgnene ved hjelp av sofistikert, lenge innøvd retorikk. : . 26.06.2019

Funksjoner ved å forstå kretssystemer Hva er hovedårsakene til den nåværende misforståelsen av funksjonene til adaptive nivåer? evolusjonær utvikling hjernen:. 22.03.2019

Om ytringsfrihet Et essay om ytringsfrihet, demokrati og hva man skal gjøre med løgnstrømmene som strømmer fra det talte ord: . 20.03.2019

Optimal kreativitetshastighet Skal vi strebe etter maksimal hastighet kreativitet og dens produktivitet? . 13.03.2019

Konstruere en modell av fremtidens samfunn Fremtidsmodell basert på ideer om organiseringen av psyken: . 24.02.2019

Tilpasningskurs Asynkron nettskole: . 14-10-2018

Om støtte for nettbasert læring på nettsiden Fornit Verktøy for å lage din egen nettskole: . 08-10-2018

Mytesamfunnet Hvordan ikke nå den etiske bunnen når det talte ordet er løgn: . 16.09.2018

Om omorganisering av akademisk vitenskap Det er gjort et forsøk på å finne retninger for å løse problemene med akademisk vitenskap nettopp på grunnlag av modellen for organisering av psyken:

Kromosomer består av kromatin – en kombinasjon av DNA og proteiner (histoner). Dette komplekset har en kompleks romlig konfigurasjon.

Naturen til forbindelsen (emballasjen) i kromosomet til ett veldig langt DNA-molekyl (lengden når hundrevis og til og med tusenvis av mikrometer) og tallrike, relativt kompakte proteinmolekyler er ennå ikke fullstendig belyst.

Det antas at en kjede av mange proteinmolekyler er i midten, og DNA er vridd rundt i form av en spiral. I tillegg til disse to hovedforbindelsene ble det funnet små mengder RNA, lipider og noen salter i kromatin.

Konstans av mengden DNA i kjernen

Hver plante- og dyreart inneholder en strengt definert og konstant mengde DNA i cellekjernen. DNA-innholdet varierer betydelig mellom ulike arter av organismer. For eksempel i en kjerne av en haploid celle (i en sædcelle) kråkebolle inneholder 0,9 10 -9 mg DNA, karpe - 1,64 10 -9, hane - 1,26 10 -9, okse - 3,42 10 -9, menneske - 3,25 10 - 9 mg. For noen planter er disse tallene betydelig høyere. I en lilje, for eksempel, inneholder en haploid celle 58,0·10 -9 mg DNA.

I kjernene til alle somatiske (diploide) celler av hver type organisme er også DNA-innholdet konstant og dobbelt så mye DNA i de haploide cellene til denne arten.

Enda viktigere er spesifisiteten til nukleotidsammensetningen til DNA. Sovjetisk vitenskapsmann akademiker. A.N. Belozersky fastslo at DNA isolert fra forskjellige vev fra samme organisme har samme nukleotidsammensetning. Det avhenger ikke av organismens alder eller påvirkning ytre miljø. Samtidig inneholder DNA isolert fra celler av forskjellige arter nitrogenholdige baser i forskjellige proporsjoner.