хромозоми. Посочете, че хромозомите се състоят от ДНК, която е заобиколена от два вида протеини: хистон (основен) и нехистонов (киселинен). Имайте предвид, че хромозомите могат да бъдат в две структурни и функционални състояния: спираловидно и деспирализирано. За да разберете кое от тези две състояния на хромозомата работи и какво означава това. Посочете в какъв период от живота на клетките хромозомите са спирализирани и са ясно видими под микроскоп. Познайте структурата на хромозомата, видовете хромозоми, които се различават по местоположението на първичната свивка.

Организмите на повечето живи същества имат клетъчна структура. В процеса на еволюция на органичния свят една клетка е избрана като елементарна система, в която е възможно проявлението на всички закони на живото. Организмите, които имат клетъчна структура, се делят на предядрени, без типично ядро ​​(или прокариоти), и такива с типично ядро ​​(или еукариоти). Посочете кои организми са прокариоти и кои са еукариоти.

За да се разбере организацията на биологичната система, е необходимо да се знае молекулярният състав на клетката. Според съдържанието на елементите, които изграждат клетката, те се разделят на три групи: макроелементи, микроелементи и ултрамикроелементи. Дайте примери за елементите, които съставляват всяка група, характеризирайте ролята на основните неорганични компоненти в живота на клетката. Химичните компоненти на живите същества се делят на неорганични (вода, минерални соли) и органични (протеини, въглехидрати, липиди, нуклеинови киселини). С малки изключения (костен и зъбен емайл), водата е преобладаващият компонент на клетките. Да се ​​познават свойствата на водата, в какви форми водата се намира в клетката, да се характеризира биологичното значение на водата. Според съдържанието на органични вещества в клетката, протеините заемат първо място. Да се ​​характеризира състава на протеините, пространствената организация на протеините (първични, вторични, третични, четвъртични структури), ролята на протеините в организма. Въглехидратите са разделени на 3 класа: монозахариди, дизахариди и полизахариди. Познайте химичния състав и критериите за класификация на въглехидратите. Дайте примери за най-важните представители на класа и охарактеризирайте тяхната роля в живота на клетката. Липидите се характеризират с най-голямо химическо разнообразие. Терминът "липиди" включва мазнини и подобни на мазнини вещества - липиди. Мазнините са естери на мастни киселини и алкохол. Познайте химичния състав на липидите и липоидите. Наблегнете на основните функции: трофични, енергийни и други функции, които трябва да бъдат характеризирани. Енергията, освободена при разграждането на органичните вещества, не се използва веднага за работа в клетките, а първо се съхранява под формата на високоенергийно междинно съединение – аденозин трифосфат (АТФ). Познайте химичния състав на АТФ. Обяснете какво са AMP и ADP. Разширете понятието "макроергична връзка". Посочете при кои процеси се образуват ADP и AMP и как се образува АТФ, каква е енергийната стойност на тези процеси. Дайте примери за физиологични процеси, които изискват големи количества енергия.

Самовъзпроизвеждане на генетичен материал. Репликация.

Принципи на записване на генетична информация. Генетичен код и неговите свойства.

Генетичен код- метод, присъщ на всички живи организми, за кодиране на аминокиселинната последователност на протеините, използвайки последователност от нуклеотиди. Има 20 различни аминокиселини, използвани в природата за изграждане на протеини. Всеки протеин е верига или няколко вериги в строго определена последователност. Тази последователност определя структурата на протеина, а оттам и неговите свойства. Наборът от аминокиселини е универсален за почти всички живи организми.

Свойства на гена. код:

Тройност - комбинация от 3 нуклеотида

Приемственост – между тризнаците няма препинателни знаци, т.е. информацията се чете непрекъснато

Неприпокриващи се - един и същ нуклеотид не може да бъде част от няколко триплета едновременно

Специфичност – определен кодон отговаря само на 1 аминокиселина

Дегенерация – повече от един кодон може да съответства на една и съща аминокиселина

Универсалност – генетичният код работи еднакво в организми с различни нива на сложност

Шумоустойчивост

В процеса на репликация на генетичния материал водородните връзки между азотните бази се разрушават и от двойната спирала се образуват две вериги на ДНК. Всеки от тях се превръща в шаблон за синтеза на друга комплементарна верига на ДНК. Последният чрез водородна връзка е свързан с матричната ДНК. Така че всяка дъщерна ДНК молекула се състои от една стара и една нова полинуклеотидна верига. В резултат на това дъщерните клетки получават същата генетична информация като родителските клетки. Поддържането на такава ситуация се осигурява от механизма на самокорекция, извършван от ДНК полимераза. Способността на генетичния материал, ДНК, да се самовъзпроизвежда (репликация) е в основата на възпроизводството на живите организми, предаването на наследствени свойства от поколение на поколение и развитието на многоклетъчен организъм от зигота.

Некоригирани промени в химичната структура на гените, възпроизвеждани в последователни цикли на репликация и проявени в потомството под формата на нови варианти на черти, се наричат генни мутации.

Промените в структурата на ДНК могат да се разделят на 3 групи: 1. Замяна на едни бази с други.

2. изместване на рамката на четене с промяна в броя на нуклеотидните двойки в гена.

3. промяна в реда на нуклеотидните последователности в гена.

1. Замяна на едни бази с други.Може да възникне случайно или под въздействието на специфични химични агенти. Ако променената форма на основата остане незабелязана по време на ремонта, тогава по време на следващия цикъл на репликация тя може да прикрепи друг нуклеотид към себе си.

Друга причина може да бъде погрешното включване в синтезираната ДНК верига на нуклеотид, носещ модифицирана форма на базата или нейния аналог. Ако тази грешка остане незабелязана по време на репарацията, тогава променената база се включва в процеса на репликация, което води до замяна на една двойка с друга.

В резултат на това в ДНК се образува нов триплет. Ако този триплет кодира същата аминокиселина, тогава промените няма да повлияят на структурата на пептида (дегенерацията на генетичния код). Ако новопоявилият се триплет кодира друга аминокиселина, структурата на пептидната верига и свойствата на протеина се променят.

2. изместване на рамката за четене.Тези мутации възникват поради загуба (делеция) или вмъкване на една или повече двойки комплементарни нуклеотиди в ДНК нуклеотидната последователност. Причината може да е ефектът върху генетичния материал на определени химикали (акридинови съединения). Голям брой мутации възникват поради включването в ДНК на мобилни генетични елементи - транспозони. Грешки при рекомбинация с неравномерно вътрешногенно кръстосване също могат да послужат като причина.

При такива мутации значението на биологичната информация, записана в тази ДНК, се променя.

3. промяна в реда на нуклеотидните последователности.Този тип мутация възниква поради завъртане на ДНК сегмента на 180ᵒ (инверсия). Това се дължи на факта, че молекулата на ДНК образува бримка, в рамките на която репликацията върви в грешна посока. В рамките на обърнатата област четенето на информация е нарушено и аминокиселинната последователност на протеина е нарушена.

Причини:-неравномерно преминаване между хомоложни хромозоми

интрахромозомно кръстосване

Хромозомни счупвания

Пропуски с последващо свързване на хромозомни елементи

Копиране на ген и прехвърлянето му в друга част от хромозомата

Молекулата на ДНК се състои от две вериги, образуващи двойна спирала. Неговата структура е дешифрирана за първи път от Франсис Крик и Джеймс Уотсън през 1953 г.

Първоначално молекулата на ДНК, състояща се от двойка нуклеотидни вериги, усукани една около друга, повдигна въпроси защо има такава форма. Учените нарекоха това явление комплементарност, което означава, че само определени нуклеотиди могат да бъдат разположени един срещу друг в неговите нишки. Например, аденинът винаги е срещу тимин, а гуанинът винаги е срещу цитозин. Тези нуклеотиди на молекулата на ДНК се наричат ​​комплементарни.

Схематично това е показано по следния начин:

Т - А

C - G

Тези двойки образуват химична нуклеотидна връзка, която определя реда, в който са подредени аминокиселините. В първия случай тя е малко по-слаба. Връзката между C и G е по-силна. Некомплементарните нуклеотиди не образуват двойки един с друг.

Относно структурата

Така че структурата на ДНК молекулата е специална. Той има такава форма по причина: факт е, че броят на нуклеотидите е много голям и е необходимо много място за поставяне на дълги вериги. Именно поради тази причина веригите са присъщи на спиралното усукване. Това явление се нарича спирализация, позволява на нишките да се съкратят с коефициент пет или шест.

Някои молекули от такъв план се използват от тялото много активно, други рядко. Последните, в допълнение към спирализацията, също са подложени на такова „компактно опаковане“ като супернавиване. И тогава дължината на молекулата на ДНК намалява с 25-30 пъти.

Каква е "опаковката" на една молекула?

Хистоновите протеини участват в процеса на супернавиване. Имат структура и вид на макара за конец или прът. Върху тях се навиват спираловидни нишки, които веднага стават „компактно опаковани“ и заемат малко място. Когато се наложи да се използва една или друга нишка, тя се развива от намотка, например от хистонов протеин, и спиралата се развива в две успоредни вериги. Когато ДНК молекулата е в това състояние, от нея могат да бъдат прочетени необходимите генетични данни. Има обаче едно условие. Получаването на информация е възможно само ако структурата на ДНК молекулата е неусукана. Хромозомите, достъпни за четене, се наричат ​​еухроматини и ако са суперспирализирани, това вече са хетерохроматини.

Нуклеинова киселина

Нуклеиновите киселини, подобно на протеините, са биополимери. Основната функция е съхраняването, внедряването и предаването на наследствена (генетична информация). Те са два вида: ДНК и РНК (дезоксирибонуклеинови и рибонуклеинови). Мономерите в тях са нуклеотиди, всеки от които има остатък от фосфорна киселина, петвъглеродна захар (дезоксирибоза/рибоза) и азотна основа. ДНК кодът включва 4 вида нуклеотиди - аденин (А) / гуанин (G) / цитозин (С) / тимин (Т). Те се различават по съдържащата се в тях азотна основа.

В молекулата на ДНК броят на нуклеотидите може да бъде огромен - от няколко хиляди до десетки и стотици милиони. Такива гигантски молекули могат да се видят през електронен микроскоп. В този случай ще бъде възможно да се види двойна верига от полинуклеотидни вериги, които са свързани помежду си чрез водородни връзки на азотните основи на нуклеотидите.

Изследвания

В хода на изследванията учените са установили, че видовете ДНК молекули в различните живи организми са различни. Установено е също, че гуанинът от една верига може да се свързва само с цитозин, а тиминът - с аденин. Подреждането на нуклеотидите на една верига стриктно съответства на паралелната. Поради тази комплементарност на полинуклеотидите, молекулата на ДНК е способна на дублиране и саморепликация. Но първо комплементарните вериги, под въздействието на специални ензими, които разрушават сдвоените нуклеотиди, се разминават и след това във всяка от тях започва синтеза на липсващата верига. Това се дължи на свободните нуклеотиди, налични в големи количества във всяка клетка. В резултат на това вместо „родителската молекула“ се образуват две „дъщерни“, идентични по състав и структура, а ДНК кодът става оригинален. Този процес е предшественик на клетъчното делене. Той осигурява прехвърлянето на всички наследствени данни от майчините клетки към дъщерните клетки, както и към всички следващи поколения.

Как се чете генният код?

Днес се изчислява не само масата на ДНК молекула - възможно е да се открият и по-сложни данни, които преди това не са били достъпни за учените. Например, можете да прочетете информация за това как тялото използва собствената си клетка. Разбира се, първоначално тази информация е в кодирана форма и има формата на определена матрица и следователно трябва да бъде транспортирана до специален носител, който е РНК. Рибонуклеиновата киселина е в състояние да проникне в клетката през ядрената мембрана и да прочете кодираната информация, която вече е вътре. Така РНК е носител на скрити данни от ядрото към клетката и се различава от ДНК по това, че съдържа рибоза вместо дезоксирибоза и урацил вместо тимин. Освен това РНК е едноверижна.

синтез на РНК

Дълбок анализ на ДНК показа, че след като РНК напусне ядрото, тя навлиза в цитоплазмата, където може да бъде интегрирана като шаблон в рибозомите (специални ензимни системи). Водени от получената информация, те могат да синтезират подходящата последователност от протеинови аминокиселини. Рибозомата научава от триплетния код кой вид органично съединение трябва да бъде прикрепено към възникващата протеинова верига. Всяка аминокиселина има свой специфичен триплет, който я кодира.

След завършване на образуването на веригата тя придобива специфична пространствена форма и се превръща в протеин, способен да изпълнява своите хормонални, градивни, ензимни и други функции. За всеки организъм това е генен продукт. Именно от него се определят всякакви качества, свойства и проявления на гените.

гени

На първо място са разработени процеси на секвениране с цел получаване на информация за това колко гена има структурата на една ДНК молекула. И въпреки че изследванията позволиха на учените да напреднат далеч по този въпрос, все още не е възможно да се знае точният им брой.

Преди няколко години се предполагаше, че ДНК молекулите съдържат приблизително 100 000 гена. Малко по-късно цифрата намалява до 80 000, а през 1998 г. генетиците заявяват, че в една ДНК присъстват само 50 000 гена, които са само 3% от цялата дължина на ДНК. Но те бяха поразени от последните заключения на генетиците. Сега те твърдят, че геномът съдържа 25-40 хиляди от споменатите единици. Оказва се, че само 1,5% от хромозомната ДНК е отговорна за кодирането на протеини.

Изследването не спря дотук. Паралелен екип от специалисти по генно инженерство установи, че броят на гените в една молекула е точно 32 000. Както виждате, все още е невъзможно да се получи окончателен отговор. Твърде много противоречия. Всички изследователи разчитат само на своите открития.

Имало ли е еволюция?

Въпреки факта, че няма доказателства за еволюцията на молекулата (тъй като структурата на молекулата на ДНК е крехка и има малък размер), учените все пак направиха едно предположение. Въз основа на лабораторни данни те изразиха версията за следното съдържание: молекулата в началния етап на появата си имаше формата на прост самовъзпроизвеждащ се пептид, който включваше до 32 аминокиселини, съдържащи се в древните океани.

След саморепликация, поради силите на естествения подбор, молекулите имат способността да се предпазват от въздействието на външните елементи. Те започнаха да живеят по-дълго и да се размножават в големи количества. Молекулите, които са се озовали в липидния мехур, имат всички шансове да се възпроизвеждат. В резултат на поредица от последователни цикли, липидните мехурчета придобиха формата на клетъчни мембрани и само по-нататък - добре познати частици. Трябва да се отбележи, че днес всяка част от молекулата на ДНК е сложна и добре функционираща структура, всички характеристики на която все още не са напълно проучени от учените.

Модерен свят

Наскоро учени от Израел разработиха компютър, който може да извършва трилиони операции в секунда. Днес това е най-бързият автомобил на Земята. Цялата тайна се крие във факта, че иновативното устройство функционира от ДНК. Професорите казват, че в близко бъдеще подобни компютри дори ще могат да генерират енергия.

Специалисти от института Weizmann в Реховот (Израел) преди година обявиха създаването на програмируем молекулен компютър, състоящ се от молекули и ензими. С тях замениха силициевите микрочипове. Към днешна дата отборът продължи напред. Сега само една молекула ДНК може да осигури на компютъра необходимите данни и да осигури необходимото гориво.

Биохимичните „нанокомпютри“ не са измислица, те вече съществуват в природата и се проявяват във всяко живо същество. Но често те не се контролират от хората. Човек все още не може да оперира с генома на нито едно растение, за да изчисли, да речем, числото "Пи".

Идеята за използване на ДНК за съхраняване/обработка на данни за първи път удари светлите глави на учените през 1994 г. Тогава беше използвана молекула за решаване на проста математически задача. Оттогава редица изследователски групи са предложили различни проекти, свързани с ДНК компютрите. Но тук всички опити се основаваха само на енергийната молекула. Не можете да видите такъв компютър с невъоръжено око, той изглежда като прозрачен разтвор на вода в епруветка. В него няма механични части, а само трилиони биомолекулни устройства - и това е само в една капка течност!

Човешка ДНК

За каква човешка ДНК хората разбраха през 1953 г., когато учените за първи път успяха да демонстрират на света двуверижен модел на ДНК. За това Кърк и Уотсън получиха Нобелова награда, тъй като това откритие стана фундаментално през 20-ти век.

С течение на времето, разбира се, те доказаха, че не само както в предложената версия, може да изглежда структурирана човешка молекула. След по-подробен ДНК анализ, те откриха A-, B- и лявата форма на Z-. Форма А- често е изключение, тъй като се образува само при липса на влага. Но това е възможно само при лабораторни изследвания, за естествената среда това е ненормално, в жива клетка такъв процес не може да се случи.

B-образната форма е класическа и е известна като двойна дясна верига, но Z-образната форма е не само усукана назад, наляво, но има и по-зигзагообразен вид. Учените са идентифицирали и формата на G-квадруплекс. В структурата си не 2, а 4 нишки. Според генетиците тази форма се среща в онези области, където има излишно количество гуанин.

Изкуствена ДНК

Днес вече съществува изкуствена ДНК, която е идентично копие на истинската; той перфектно повтаря структурата на естествената двойна спирала. Но за разлика от оригиналния полинуклеотид, в изкуствения има само два допълнителни нуклеотида.

Тъй като дублажът е създаден на базата на информация, получена в хода на различни изследвания на истинска ДНК, той също може да бъде копиран, самовъзпроизвеждан и еволюиран. Специалисти работят върху създаването на такава изкуствена молекула от около 20 години. Резултатът е невероятно изобретение, което може да използва генетичния код по същия начин като естествената ДНК.

Към четирите съществуващи азотни бази генетиката добави още две, които са създадени по метода на химическа модификация на естествените основи. За разлика от естествената, изкуствената ДНК се оказа доста къса. Съдържа само 81 базови двойки. Въпреки това, той също се възпроизвежда и еволюира.

Репликацията на молекула, получена по изкуствен път, става благодарение на полимеразната верижна реакция, но засега това не се случва самостоятелно, а чрез намесата на учени. Те самостоятелно добавят необходимите ензими към споменатата ДНК, като я поставят в специално подготвена течна среда.

Краен резултат

Процесът и крайният резултат от развитието на ДНК могат да бъдат повлияни от различни фактори, като мутации. Това води до задължителното изследване на проби от материя, така че резултатът от анализите да е надежден и надежден. Пример за това е тест за бащинство. Но човек не може да не се радва, че подобни инциденти като мутация са редки. Независимо от това, пробите от материята винаги се проверяват отново, за да се получи по-точна информация въз основа на анализа.

растителна ДНК

Благодарение на високотехнологичното секвениране (HTS) е направена революция в областта на геномиката – възможно е и изолирането на ДНК от растенията. Разбира се, получаването на висококачествена молекулна маса на ДНК от растителен материал причинява известни трудности поради големия брой копия на митохондриите и хлоропластите на ДНК, както и високото ниво на полизахариди и фенолни съединения. В този случай се използват различни методи за изолиране на структурата, която разглеждаме.

Водородна връзка в ДНК

Водородната връзка в молекулата на ДНК е отговорна за електромагнитното привличане, създадено между положително заредения водороден атом, който е прикрепен към електроотрицателния атом. Това диполно взаимодействие не попада под критерия за химическо свързване. Но може да се реализира междумолекулно или в различни части на молекулата, тоест вътремолекулно.

Водороден атом е прикрепен към електроотрицателен атом, който е донор на тази връзка. Електроотрицателният атом може да бъде азот, флуор, кислород. Той – чрез децентрализация – привлича електронен облак от водородното ядро ​​към себе си и прави водородния атом зареден (частично) положително. Тъй като размерът на H е малък в сравнение с други молекули и атоми, зарядът също е малък.

Дешифриране на ДНК

Преди да дешифрират ДНК молекула, учените първо вземат огромен брой клетки. За най-точната и успешна работа са ви необходими около милион от тях. Резултатите, получени по време на изследването, непрекъснато се сравняват и записват. Днес секвенирането на генома вече не е рядкост, а достъпна процедура.

Разбира се, дешифрирането на генома на една клетка е неподходящо упражнение. Данните, получени в хода на подобни изследвания, не представляват интерес за учените. Но е важно да се разбере, че всички съществуващи в момента методи за декодиране, въпреки тяхната сложност, не са достатъчно ефективни. Те ще ви позволят да прочетете само 40-70% от ДНК.

Въпреки това професорите от Харвард наскоро обявиха метод, чрез който 90% от генома може да бъде декодиран. Техниката се основава на добавяне на праймерни молекули към изолирани клетки, с помощта на които започва репликацията на ДНК. Но дори този метод не може да се счита за успешен; той все още трябва да бъде усъвършенстван, преди да бъде открито използван в науката.

МОСКВА, 25 април - РИА Новости, Татяна Пичугина.Точно преди 65 години британските учени Джеймс Уотсън и Франсис Крик публикуваха статия за дешифрирането на структурата на ДНК, поставяйки основите на една нова наука – молекулярната биология. Това откритие промени много в живота на човечеството. РИА Новости разказва за свойствата на молекулата ДНК и защо е толкова важна.

През втората половина на 19 век биологията е много млада наука. Учените тепърва започваха да изучават клетката и концепцията за наследствеността, макар и вече формулирана от Грегор Мендел, не беше широко приета.

През пролетта на 1868 г. младият швейцарски лекар Фридрих Мишер пристига в университета в Тюбинген (Германия), за да се занимава с научна работа. Той възнамеряваше да разбере от какви вещества се състои клетката. За експерименти избрах левкоцити, които лесно се получават от гной.

Отделяйки ядрото от протоплазмата, протеините и мазнините, Мишер открива съединение с високо съдържание на фосфор. Той нарече тази молекула нуклеин ("ядро" на латински - ядро).

Това съединение проявява киселинни свойства, поради което е въведен терминът "нуклеинова киселина". Неговият префикс "дезоксирибо" означава, че молекулата съдържа Н-групи и захари. Тогава се оказа, че всъщност това е сол, но името не е променено.

В началото на 20-ти век учените вече знаеха, че нуклеинът е полимер (тоест много дълга, гъвкава молекула от повтарящи се единици), единиците са съставени от четири азотни бази (аденин, тимин, гуанин и цитозин) и нуклеинът се съдържа в хромозомите - компактни структури, които се срещат в делящите се клетки. Способността им да предават наследствени белези е демонстрирана от американския генетик Томас Морган в експерименти върху дрозофила.

Моделът, който обясняваше гените

Но това, което дезоксирибонуклеиновата киселина, съкратено ДНК, прави в клетъчното ядро, не беше разбрано дълго време. Смята се, че той играе някаква структурна роля в хромозомите. Единиците на наследствеността - гените - се приписват на протеиновата природа. Пробивът е направен от американския изследовател Осуалд ​​Ейвъри, който експериментално доказа, че генетичният материал се предава от бактерия на бактерия чрез ДНК.

Стана ясно, че трябва да се изследва ДНК. Но как? По това време учените са били достъпни само за рентгенови лъчи. За да блестят през биологичните молекули, те трябваше да бъдат кристализирани, което е трудно. Дешифрирането на структурата на протеиновите молекули от рентгенови модели беше извършено в лабораторията на Кавендиш (Кеймбридж, Великобритания). Младите изследователи, работещи там, Джеймс Уотсън и Франсис Крик, не разполагаха със собствени експериментални данни за ДНК, затова използваха рентгенови лъчи на колеги от Кингс Колидж Морис Уилкинс и Розалинд Франклин.

Уотсън и Крик предложиха модел на структурата на ДНК, който точно съвпада с рентгенови модели: две успоредни нишки са усукани в дясна спирала. Всяка верига е съставена от произволен набор от азотни основи, нанизани върху гръбнака на техните захари и фосфати и държани заедно от водородни връзки, опънати между основите. Освен това аденинът се комбинира само с тимин, а гуанинът с цитозин. Това правило се нарича принцип на допълване.

Моделът на Уотсън и Крик обяснява четирите основни функции на ДНК: репликацията на генетичния материал, неговата специфичност, съхранението на информация в молекула и способността й да мутира.

Учените публикуват своето откритие в списание Nature на 25 април 1953 г. Десет години по-късно, заедно с Морис Уилкинс, те са удостоени с Нобелова награда по биология (Розалинд Франклин умира през 1958 г. от рак на 37-годишна възраст).

„Сега, повече от половин век по-късно, може да се каже, че откриването на структурата на ДНК играе същата роля в развитието на биологията, както откриването на атомното ядро ​​във физиката. Изясняването на структурата на атома доведе до раждането на нова, квантова физика и откриването на структурата на ДНК доведоха до раждането на нова, молекулярна биология“, пише Максим Франк-Каменецки, изключителен генетик, изследовател на ДНК, автор на книгата „Най-важното Молекула”.

Генетичен код

Сега оставаше да разберем как работи тази молекула. Известно е, че ДНК съдържа инструкции за синтеза на клетъчни протеини, които вършат цялата работа в клетката. Протеините са полимери, съставени от повтарящи се набори (последователности) от аминокиселини. Освен това има само двадесет аминокиселини. Животинските видове се различават един от друг по набора от протеини в клетките, тоест по различни последователности от аминокиселини. Генетиката твърди, че тези последователности са определени от гени, които, както се смяташе тогава, служат като първите градивни елементи на живота. Но какви са гените, никой всъщност не знаеше.

Яснотата е внесена от автора на теорията за Големия взрив, физикът Георги Гъмов, служител на университета Джордж Вашингтон (САЩ). Въз основа на модела на двуверижна ДНК спирала на Уотсън и Крик, той предполага, че генът е участък от ДНК, тоест определена последователност от връзки - нуклеотиди. Тъй като всеки нуклеотид е една от четирите азотни бази, въпросът е само да разберем как четири елемента кодират двадесет. Това беше идеята зад генетичния код.

В началото на 60-те години на миналия век е установено, че протеините се синтезират от аминокиселини в рибозомите - един вид "фабрика" вътре в клетката. За да започне протеиновия синтез, ензимът се приближава до ДНК, разпознава определена област в началото на гена, синтезира копие на гена под формата на малка РНК (нарича се матрица), след което протеинът се отглежда от аминокиселини в рибозомата.

Те също така установиха, че генетичният код е трибуквен. Това означава, че три нуклеотида съответстват на една аминокиселина. Единицата код се нарича кодон. В рибозомата информацията от иРНК се чете кодон по кодон, последователно. И всеки от тях отговаря на няколко аминокиселини. Как изглежда шифърът?

На този въпрос отговориха Маршал Ниренберг и Хайнрих Матей от САЩ. През 1961 г. те за първи път съобщават за резултатите си на биохимичен конгрес в Москва. До 1967 г. генетичният код е напълно дешифриран. Оказа се, че е универсален за всички клетки на всички организми, което има далечни последици за науката.

Откриването на структурата на ДНК и генетичния код напълно преориентира биологичните изследвания. Фактът, че всеки индивид има уникална ДНК последователност, промени драстично криминалистичната наука. Дешифрирането на човешкия геном даде на антрополозите изцяло нов начин за изследване на еволюцията на нашия вид. Наскоро изобретеният CRISPR-Cas ДНК редактор има значително напредък в генното инженерство. Очевидно тази молекула съхранява и решението на най-належащите проблеми на човечеството: рак, генетични заболявания, стареене.

Мономерните единици на които са нуклиатиди.

Какво е ДНК?

Цялата информация за структурата и функционирането на всеки жив организъм се съдържа в кодирана форма в неговия генетичен материал. Основата на генетичния материал на организма е дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК).

ДНКв повечето организми това е дълга, двуверижна полимерна молекула. Подпоследователност мономерни единици (дезоксирибонуклеотиди) в една от неговите вериги съответства на ( допълващи се) последователности от дезоксирибонуклеотиди в друг. Принципът на допълванеосигурява синтеза на нови ДНК молекули, идентични с оригиналните, когато се дублират ( репликация).

Част от ДНК молекула, която кодира определена черта ген.

гени- това са отделни генетични елементи, които имат строго специфична нуклеотидна последователност и кодират определени характеристики на организма. Някои от тях кодират протеини, други - само РНК молекули.

Информацията, която се съдържа в гените, кодиращи протеини (структурни гени), се дешифрира в хода на два последователни процеса:

• Синтез на РНК (транскрипция): върху определен участък от ДНК, като върху матрица, се синтезира информационна РНК (иРНК).
• протеинов синтез (превод):В хода на координираната работа на многокомпонентна система с участие транспортна РНК (тРНК), иРНК, ензимии различни протеинови факториизвършено протеинов синтез.

Всички тези процеси осигуряват правилния превод на генетичната информация, криптирана в ДНК, от езика на нуклеотидите на езика на аминокиселините. Аминокиселинна последователност на протеинова молекулаопределя неговата структура и функции.

структура на ДНК

ДНК- това линеен органичен полимер. Неговото - нуклеотиди, които от своя страна се състоят от:

В този случай фосфатната група е прикрепена към 5'-въглероден атоммонозахариден остатък, а органичната основа - до 1'-атом.

Има два вида бази в ДНК:

Структурата на нуклеотидите в молекулата на ДНК

IN ДНКпредставен монозахарид 2'-дезоксирибозасъдържащи само 1 хидроксилна група (ОН), и в РНК - рибоза, който има 2 хидроксилни групи (ох).

Нуклеотидите са свързани помежду си фосфодиестерни връзки, докато фосфатната група 5'-въглероден атомедин нуклеотид, свързан с 3'-OH-група на дезоксирибозасъседен нуклеотид (Фигура 1). В единия край на полинуклеотидната верига е Z'-OH-група (Z'-край),а от другата - 5'-фосфатна група (5'-край).

Нива на структурата на ДНК

Обичайно е да се разграничават 3 нива на структура на ДНК:

• първичен;
• втори;
• третичен.

Първична структура на ДНКе последователността от нуклеотиди в ДНК полинуклеотидна верига.

Вторична структура на ДНКстабилизира се между допълващи се базови двойки и представлява двойна спирала от две антипаралелни вериги, усукани надясно около една ос.

Обща намотка на спиралата 3.4nm, разстояние между веригите 2nm.

Третичната структура на ДНК е свръхнавиването на ДНК.Двойната спирала на ДНК може да претърпи допълнително спиране в някои области, за да образува супернамотка или форма на отворен пръстен, често причинена от ковалентно свързване на техните отворени краища. Свръхнавитата структура на ДНК осигурява икономично опаковане на много дълга ДНК молекула в хромозома. И така, в удължена форма, дължината на молекулата на ДНК е 8 см, и под формата на суперспирала се вписва в 5 nm.

Правилото на Чаргаф

Правилото на Е. Чаргаф- това е закономерност на количественото съдържание на азотни основи в молекулата на ДНК:

1. При ДНК молни фракциипуриновите и пиримидиновите основи са равни: A+г = ° С+ Т или (А +г)/(° С + T)=1.
2. В ДНК броят на базите с аминогрупи (A +° С) равно на броят на базите с кето групи (г+ T):A+° С= г+ Т или (А +° С)/(г+ T) = 1
3. Правило за еквивалентност, тоест: A=T, G=C; A/T = 1; G/C=1.
4. Нуклеотиден състав на ДНКв организмите от различни групи е специфичен и характеризиран коефициент на специфичност: (G+C)/(A+T).При висшите растения и животни коефициент на специфичностпо-малко от 1 и леко се колебае: от 0,54 преди 0,98 , при микроорганизмите е по-голямо от 1.

ДНК модел на Уотсън-Крик

Б 1953 Джеймс уотсъни Франциск вик, въз основа на данните от рентгенов дифракционен анализ на ДНК кристали, стигна до извода, че нативна ДНКсе състои от две полимерни вериги, образуващи двойна спирала (Фигура 3).

Полинуклеотидните вериги, навити една върху друга, се държат заедно водородни връзкиобразувани между допълващи се бази на противоположни вериги (Фигура 3). При което адениндвойки само с тимин, но гуанин- от цитозин. базова двойка A-Tстабилизира се две водородни връзки, и двойка G-C - три.

Дължината на двойноверижната ДНК обикновено се измерва чрез броя на двойките комплементарни нуклеотиди ( П.н.). За ДНК молекули, състоящи се от хиляди или милиони базови двойки, се приемат единици kbpИ m.p.s.съответно. Например, ДНК на човешка хромозома 1 е единична двойна спирала с дължина 263 m.b.s..

Захарно-фосфатният гръбнак на молекулата, който се състои от свързани фосфатни групи и остатъци от дезоксирибоза 5'-3'-фосфодиестерни връзки, образува "страничните стени на вита стълба", и двойките основи A-TИ G-C- неговите стъпки (Фигура 3).

Фигура 3: ДНК модел на Watson-Crick

Вериги на ДНК молекули антипаралелен: един от тях има посока 3'→5', други 5'→3'. В съответствие със принципа на допълванеако една от веригите съдържа нуклеотидната последователност 5-TAGGCAT-3', то в допълващата верига на това място трябва да има последователност 3'-ATCCGTA-5'. В този случай двуверижната форма ще изглежда така:

• 5'-TAGGCAT-3'
• 3-ATCCGTA-5'.

В такъв запис 5'-край на горната веригавинаги се поставя отляво 3′ край- на дясно.

Носителят на генетична информация трябва да отговаря на две основни изисквания: да бъдат възпроизвеждани (възпроизвеждани) с висока прецизностИ определят (кодират) синтеза на протеинови молекули.

ДНК модел на Уотсън-Крикнапълно отговаря на тези изисквания, тъй като:

• според принципа на комплементарността всяка верига от ДНК може да служи като шаблон за образуването на нова комплементарна верига. Следователно след един кръг се образуват две дъщерни молекули, всяка от които има същата нуклеотидна последователност като оригиналната ДНК молекула.
• нуклеотидната последователност на структурния ген уникално определя аминокиселинната последователност на протеина, който кодира.

1. Една молекула човешка ДНК съдържа около 1,5 гигабайта информация. В същото време ДНК на всички клетки на човешкото тяло заема 60 милиарда терабайта, които се съхраняват върху 150-160 грама ДНК.
2. Международен ден на ДНКсе празнува на 25 април. На този ден през 1953г Джеймс УотсънИ Франсис Крийкпубликувана в списание природатанеговата статия е озаглавена "Молекулна структура на нуклеиновите киселини" , който описва двойната спирала на молекулата на ДНК.

Библиография: Молекулярна биотехнология: Принципи и приложения, B. Glick, J. Pasternak, 2002