kromosomi. Navedite da se kromosomi sastoje od DNK, koji je okružen s dvije vrste proteina: histonskim (bazičnim) i nehistonskim (kiselinskim). Imajte na umu da kromosomi mogu biti u dva strukturna i funkcionalna stanja: spiralizirani i despiralizirani. Saznajte koje od ova dva stanja kromosoma funkcionira i što to znači. Navedite u kojem su razdoblju života stanice kromosoma spiralizirane i jasno vidljive pod mikroskopom. Poznavati strukturu kromosoma, vrste kromosoma koji se razlikuju po mjestu primarne konstrikcije.

Organizmi većine živih bića imaju staničnu strukturu. U procesu evolucije organskog svijeta, stanica je odabrana kao elementarni sustav u kojem se mogu manifestirati svi zakoni živog. Organizmi sa staničnom strukturom dijele se na prenuklearne organizme koji nemaju tipičnu jezgru (ili prokariote), na one s tipičnom jezgrom (ili eukariote). Navedite koji organizmi pripadaju prokariotima, a koji eukariotima.

Za razumijevanje organizacije biološkog sustava potrebno je poznavati molekularni sastav stanice. Prema svom sadržaju, elementi koji čine stanicu podijeljeni su u tri skupine: makroelementi, elementi u tragovima i ultramikroelementi. Navedite primjere elemenata koji čine svaku skupinu, okarakterizirajte ulogu glavnih anorganskih komponenti u životu stanice. Kemijske komponente živih bića dijele se na anorganske (voda, mineralne soli) i organske (bjelančevine, ugljikohidrati, lipidi, nukleinske kiseline). Uz nekoliko izuzetaka (koštana i zubna caklina), voda je dominantna komponenta stanica. Poznavati svojstva vode, u kakvim se oblicima voda nalazi u stanici, okarakterizirati biološki značaj vode. Po sadržaju organske tvari u stanici, proteini zauzimaju prvo mjesto. Opisati sastav proteina, prostornu organizaciju proteina (primarne, sekundarne, tercijarne, kvartarne strukture), ulogu proteina u tijelu. Ugljikohidrati se dijele u 3 klase: monosaharidi, disaharidi i polisaharidi. Poznavati kemijski sastav i kriterije klasifikacije za ugljikohidrate. Navedite primjere najvažnijih predstavnika razreda i okarakterizirajte njihovu ulogu u životu stanice. Lipide karakterizira najveća kemijska raznolikost. Pojam "lipidi" uključuje masti i mastima slične tvari - lipoide. Masti su esteri masnih kiselina i nekih alkohola. Poznavati kemijski sastav lipida i lipida. Naglasite glavne funkcije: trofičke, energetske i druge funkcije koje je potrebno okarakterizirati. Energija koja se oslobađa tijekom raspadanja organskih tvari ne koristi se odmah za rad u stanicama, već se prvo pohranjuje u obliku visokoenergetskog međuprodukta – adenozin trifosfata (ATP). Poznavati kemijski sastav ATP-a. Otkrijte što su AMP i ADP spojevi. Proširiti pojam "makroergijske veze". Navedite u kojim procesima nastaju ADP i AMP, a kako ATP, kolika je energetska vrijednost tih procesa. Navedite primjere fizioloških procesa koji zahtijevaju puno energije.

Samoreprodukcija genetskog materijala. Replikacija.

Principi bilježenja genetskih informacija. Genetski kod i njegova svojstva.

Genetski kod- svojstvena svim živim organizmima, metoda kodiranja aminokiselinskog slijeda proteina pomoću slijeda nukleotida. U prirodi se za izgradnju proteina koristi 20 različitih aminokiselina. Svaki protein je lanac ili nekoliko lanaca u strogo definiranom slijedu. Ovaj slijed određuje strukturu proteina, a time i njegova svojstva. Skup aminokiselina je univerzalan za gotovo sve žive organizme.

Svojstva gena. kodirati:

Triplet - kombinacija 3 nukleotida

Kontinuitet - između trojki nema interpunkcijskih znakova, t.j. informacije se neprestano čitaju

Nepreklapanje - isti nukleotid ne može biti dio više tripleta u isto vrijeme

Specifičnost – određeni kodon odgovara samo 1 aminokiselini

Degeneracija – nekoliko kodona može odgovarati istoj aminokiselini

Svestranost – genetski kod djeluje isto u organizmima različite razine složenosti

Imunitet

U procesu replikacije genetskog materijala prekidaju se vodikove veze između dušičnih baza, a iz dvostruke spirale nastaju dva lanca DNK. Svaki od njih postaje predložak za sintezu drugog komplementarnog lanca DNK. Potonji se, kroz vodikovu vezu, spaja s DNK šablonom. Dakle, svaka kćerka molekula DNK sastoji se od jednog starog i jednog novog polinukleotidnog lanca. Kao rezultat toga, stanice kćeri primaju iste genetske informacije kao i roditeljske stanice. Održavanje takve situacije osigurava mehanizam samokorekcije koji provodi DNA polimeraza. Sposobnost genetskog materijala, DNK, da se reproducira (replicira) u osnovi je reprodukcije živih organizama, prijenosa nasljednih svojstava s generacije na generaciju i razvoja višestaničnog organizma iz zigota.

Nekorigirane promjene u kemijskoj strukturi gena, koje se reproduciraju u uzastopnim ciklusima replikacije i očituju u potomstvu u obliku novih varijanti osobina, nazivaju se mutacije gena.

Promjene u strukturi DNK mogu se podijeliti u 3 skupine: 1. Zamjena jednih baza s drugima.

2. pomak okvira čitanja s promjenom broja nukleotidnih parova u genu.

3. preuređenje nukleotidnih sekvenci unutar gena.

1. Zamjena nekih baza s drugima. Može se pojaviti slučajno ili pod utjecajem određenih kemijskih sredstava. Ako promijenjeni oblik baze ostane neprimijećen tijekom popravka, tada tijekom sljedećeg ciklusa replikacije može na sebe pričvrstiti još jedan nukleotid.

Drugi razlog može biti pogrešno uključivanje u sintetizirani lanac DNA nukleotida koji nosi modificirani oblik baze ili njezinog analoga. Ako ova pogreška ostane neprimijećena tijekom popravka, tada se promijenjena baza uključuje u proces replikacije, što dovodi do zamjene jednog para drugim.

Kao rezultat, u DNK nastaje novi triplet. Ako ovaj triplet kodira istu aminokiselinu, tada promjene neće utjecati na strukturu peptida (degeneracija genetskog koda). Ako novonastali triplet kodira drugu aminokiselinu, mijenja se struktura peptidnog lanca i svojstva proteina.

2. pomak okvira za čitanje. Ove mutacije nastaju zbog gubitka (delecije) ili umetanja jednog ili više parova komplementarnih nukleotida u nukleotidni slijed DNA. To može biti posljedica izlaganja genetskog materijala određenim kemikalijama (akridinskim spojevima). Veliki broj mutacija nastaje zbog uključivanja pokretnih genetskih elemenata - transpozona - u DNK. Pogreške tijekom rekombinacije u slučaju nejednakog intragenskog križanja također mogu biti razlog.

S takvim mutacijama mijenja se značenje bioloških informacija zabilježenih u ovoj DNK.

3... mijenja redoslijed nukleotidnih sekvenci. Ova vrsta mutacije nastaje zbog rotacije DNA regije od 180ᵒ (inverzija). To je zbog činjenice da molekula DNK tvori petlju unutar koje replikacija ide u krivom smjeru. Unutar invertirane regije, čitanje informacija je poremećeno i poremećena je sekvenca aminokiselina proteina.

Uzroci:- nejednak prijelaz između homolognih kromosoma

Intrakromosomski prijelaz

Krmosomski prekidi

Prekidi praćeni spajanjem kromosomskih elemenata

Kopiranje gena i prijenos u drugi dio kromosoma

Molekula DNK sastoji se od dva lanca koji tvore dvostruku spiralu. Njegovu strukturu prvi su dešifrirali Francis Crick i James Watson 1953. godine.

Isprva je molekula DNK, koja se sastoji od para nukleotidnih lanaca upletenih jedan oko drugog, postavila pitanje zašto ima upravo takav oblik. Znanstvenici su ovu pojavu nazvali komplementarnošću, što znači da se samo određeni nukleotidi mogu nalaziti u njezinim lancima jedan nasuprot drugome. Na primjer, adenin je uvijek nasuprot timinu, a gvanin je nasuprot citozinu. Ovi nukleotidi molekule DNA nazivaju se komplementarni.

Ovo je shematski prikazano kako slijedi:

T - A

C - G

Ovi parovi tvore kemijsku nukleotidnu vezu koja određuje redoslijed u kojem su aminokiseline raspoređene. U prvom je slučaju nešto slabiji. Veza između C i G je jača. Nekomplementarni nukleotidi ne tvore parove jedan s drugim.

O strukturi

Dakle, struktura molekule DNK je posebna. Ima takav oblik s razlogom: činjenica je da je broj nukleotida vrlo velik i da je potrebno puno prostora za smještaj dugih lanaca. Upravo je iz tog razloga spiralno uvijanje svojstveno lancima. Taj se fenomen naziva spiralizacija, omogućuje skraćivanje niti za oko pet do šest puta.

Tijelo koristi neke molekule ove vrste vrlo aktivno, druge rijetko. Potonji, osim spiralizacije, također prolaze kroz takvo "kompaktno pakiranje" kao što je supernamotavanje. I tada se duljina molekule DNK smanjuje 25-30 puta.

Što je "pakiranje" molekule?

U procesu supersmotanja uključeni su histonski proteini. Imaju strukturu i izgled kalema ili šipke s navojem. Na njih su namotane spiralne niti koje se odmah "kompaktno zbijene" i zauzimaju malo mjesta. Kada postane potrebno koristiti jednu ili drugu nit, ona se odmota od svitka, na primjer, histonskog proteina, a spirala se odmota u dva paralelna lanca. Kada je molekula DNK u ovom stanju, iz nje se mogu očitati potrebni genetski podaci. Međutim, postoji jedan uvjet. Dobivanje informacija moguće je samo ako je struktura molekule DNK neuvijena. Kromosomi dostupni za čitanje nazivaju se euhromatini, a ako su supersipirizirani, onda su to već heterokromatini.

Nukleinske kiseline

Nukleinske kiseline, kao i proteini, su biopolimeri. Glavna funkcija je pohrana, provedba i prijenos nasljednih (genetskih informacija). Oni su dvije vrste: DNA i RNA (deoksiribonukleinska i ribonukleinska). Monomeri u njima su nukleotidi, od kojih svaki sadrži ostatak fosforne kiseline, šećer s pet ugljika (deoksiriboza/riboza) i dušičnu bazu. DNK kod uključuje 4 vrste nukleotida - adenin (A) / gvanin (G) / citozin (C) / timin (T). Razlikuju se po dušičnoj bazi koju sadrže.

U molekuli DNK broj nukleotida može biti ogroman – od nekoliko tisuća do desetaka i stotina milijuna. Takve divovske molekule mogu se promatrati kroz elektronski mikroskop. U ovom slučaju bit će moguće vidjeti dvostruki lanac polinukleotidnih lanaca, koji su međusobno povezani vodikovim vezama dušičnih baza nukleotida.

Istraživanje

Tijekom istraživanja znanstvenici su otkrili da se vrste molekula DNK u različitim živim organizmima razlikuju. Također je utvrđeno da se guanin jednog lanca može vezati samo s citozinom, a timin - s adeninom. Raspored nukleotida jednog lanca striktno odgovara paralelnom. Zbog ove komplementarnosti polinukleotida, molekula DNA je sposobna za dupliciranje i samoreprodukciju. Ali prvo se komplementarni lanci razilaze pod utjecajem posebnih enzima koji uništavaju uparene nukleotide, a zatim u svakom od njih počinje sinteza lanca koji nedostaje. To je zbog slobodnih nukleotida prisutnih u velikim količinama u svakoj stanici. Kao rezultat toga, umjesto "roditeljske molekule", nastaju dvije "kćeri" molekule, identične po sastavu i strukturi, a DNK kod postaje izvorni. Ovaj proces je preteča stanične diobe. Osigurava prijenos svih nasljednih podataka s matičnih stanica na stanice kćeri, kao i na sve sljedeće generacije.

Kako se čita genski kod?

Danas se ne izračunava samo masa molekule DNK, već je moguće saznati i složenije podatke koji prije nisu bili dostupni znanstvenicima. Na primjer, možete pročitati informacije o tome kako tijelo koristi vlastitu stanicu. Naravno, u početku su te informacije kodirane i imaju oblik neke vrste matrice, pa se stoga moraju transportirati do posebnog nosača, a to je RNA. Ribonukleinska kiselina se može infiltrirati u stanicu kroz nuklearnu membranu i čitati kodirane informacije unutar stanice. Dakle, RNA je nositelj skrivenih podataka od jezgre do stanice, a od DNK se razlikuje po tome što umjesto dezoksiriboze sadrži ribozu, a umjesto timina uracil. Osim toga, RNA je jednolančana.

sinteza RNA

Duboka analiza DNK pokazala je da nakon što RNA napusti jezgru, ona ulazi u citoplazmu, gdje se kao matriks može ugraditi u ribosome (posebne enzimske sustave). Na temelju primljenih informacija mogu sintetizirati odgovarajući slijed proteinskih aminokiselina. Ribosom uči iz trojnog koda kakav organski spoj mora biti vezan za formirajući proteinski lanac. Svaka aminokiselina ima svoj specifični triplet, koji je kodira.

Nakon što se dovrši formiranje lanca, on dobiva specifičan prostorni oblik i pretvara se u protein sposoban obavljati svoje hormonalne, građevne, enzimske i druge funkcije. Za svaki organizam, to je genski proizvod. Iz njega se određuju sve vrste kvaliteta, svojstava i manifestacija gena.

Geni

Prije svega, razvijeni su procesi sekvenciranja kako bi se dobila informacija o tome koliko gena ima struktura molekule DNA. I, iako je istraživanje omogućilo znanstvenicima veliki napredak u ovom pitanju, još nije moguće znati njihov točan broj.

Prije nekoliko godina pretpostavljalo se da molekule DNK sadrže otprilike 100 tisuća gena. Nešto kasnije brojka se smanjila na 80 tisuća, a 1998. godine genetičari su objavili da je u jednoj DNK prisutno samo 50 tisuća gena, što je samo 3% ukupne duljine DNK. Ali najnoviji zaključci genetičara bili su zaprepašteni. Sada tvrde da genom uključuje 25-40 tisuća ovih jedinica. Ispada da je samo 1,5% kromosomske DNK odgovorno za kodiranje proteina.

Istraživanje se tu nije zaustavilo. Paralelni tim stručnjaka za genetski inženjering otkrio je da je broj gena u jednoj molekuli točno 32 tisuće. Kao što vidite, još uvijek je nemoguće dobiti konačan odgovor. Previše je kontradikcija. Svi se istraživači oslanjaju samo na svoje rezultate.

Je li došlo do evolucije?

Unatoč činjenici da nema dokaza o evoluciji molekule (budući da je struktura molekule DNK krhka i male veličine), znanstvenici su ipak dali jedan prijedlog. Na temelju laboratorijskih podataka iznijeli su verziju sljedećeg sadržaja: u početnoj fazi svog pojavljivanja, molekula je izgledala kao jednostavan samoreplicirajući peptid, koji je uključivao do 32 aminokiseline pronađene u drevnim oceanima.

Nakon samoreplikacije, zahvaljujući silama prirodne selekcije, molekule su stekle sposobnost zaštite od utjecaja vanjskih elemenata. Počeli su živjeti dulje i razmnožavati se u velikom broju. Molekule koje su se našle u lipidnom mjehuru dobile su sve šanse za samoreprodukciju. Kao rezultat niza uzastopnih ciklusa, lipidni mjehurići su dobili oblik staničnih membrana, a zatim - sve poznate čestice. Treba napomenuti da je danas bilo koji dio molekule DNK složena i jasno funkcionalna struktura, čije sve značajke znanstvenici još nisu u potpunosti proučavali.

Moderni svijet

Nedavno su izraelski znanstvenici razvili računalo koje može izvesti trilijune operacija u sekundi. Danas je to najbrži automobil na Zemlji. Cijela tajna je da inovativni uređaj pokreće DNK. Profesori kažu da će u kratkom roku takva računala čak moći generirati energiju.

Prije godinu dana stručnjaci s Weizmann instituta u Rehovotu (Izrael) najavili su stvaranje programabilnog molekularnog računala koje se sastoji od molekula i enzima. S njima su zamijenili silikonske mikročipove. Do sada, tim još uvijek ide naprijed. Sada samo jedna molekula DNK može osigurati računalu potrebne podatke i osigurati potrebno gorivo.

Biokemijska „nanoračunala“ nisu fikcija, već postoje u prirodi i očituju se u svakom živom biću. Ali često ih ne kontroliraju ljudi. Osoba još ne može operirati genom bilo koje biljke kako bi izračunala, recimo, broj "pi".

Ideja o korištenju DNK za pohranu/obradu podataka prvi put je pala na pamet znanstvenika 1994. godine. Tada je molekula korištena za rješavanje jednostavnog matematičkog problema. Od tada su brojne istraživačke skupine predložile različite projekte vezane uz DNK računala. Ali ovdje su se svi pokušaji temeljili samo na molekuli energije. Takvo računalo ne možete vidjeti golim okom, izgleda kao prozirna otopina vode u epruveti. U njemu nema mehaničkih dijelova, već samo trilijuni biomolekularnih uređaja – i to samo jedna kap tekućine!

Ljudski DNK

Kakva je to ljudska DNK, ljudi su postali svjesni 1953. godine, kada su znanstvenici po prvi put mogli svijetu demonstrirati dvolančani model DNK. Za to su Kirk i Watson dobili Nobelovu nagradu, budući da je ovo otkriće postalo temeljno u 20. stoljeću.

S vremenom su, naravno, dokazali da strukturirana ljudska molekula može izgledati ne samo kao u predloženoj verziji. Nakon detaljnije analize DNK, otkriveni su A-, B- i ljevoruki oblici Z-. Oblik A- često je iznimka, jer nastaje samo ako postoji nedostatak vlage. Ali to je moguće samo u laboratorijskim studijama, za prirodno okruženje je nenormalno, u živoj stanici takav se proces ne može dogoditi.

B-oblik je klasičan i poznat je kao dvostruki desnoruki lanac, ali Z-oblik nije samo uvijen u suprotnom smjeru, ulijevo, već ima i više cik-cak izgled. Znanstvenici su također identificirali oblik G-kvadrupleksa. U njegovoj strukturi ne postoje 2, već 4 niti. Prema genetičarima, ovaj oblik se javlja u onim područjima gdje postoji višak količine gvanina.

Umjetni DNK

Umjetna DNK već postoji danas, koja je identična kopija pravog; savršeno ponavlja strukturu prirodne dvostruke spirale. Ali, za razliku od primordijalnog polinukleotida, u umjetnom postoje samo dva dodatna nukleotida.

Budući da je sinkronizacija nastala na temelju informacija dobivenih tijekom raznih studija stvarne DNK, također se može kopirati, samoreplicirati i razvijati. Stručnjaci su na stvaranju takve umjetne molekule radili oko 20 godina. Rezultat je nevjerojatan izum koji može koristiti genetski kod na isti način kao i prirodni DNK.

Četiri dostupne dušične baze genetika je dodala još dvije koje je stvorila metodom kemijske modifikacije prirodnih baza. Za razliku od prirodne DNK, umjetna DNK je prilično kratka. Sadrži samo 81 par baza. Međutim, također se razmnožava i razvija.

Replikacija umjetno dobivene molekule odvija se zahvaljujući lančanoj reakciji polimeraze, no zasad se to ne događa samo od sebe, već uz intervenciju znanstvenika. Samostalno dodaju potrebne enzime spomenutoj DNK, stavljajući je u posebno pripremljeni tekući medij.

Konačni rezultat

Na proces i konačni rezultat razvoja DNK mogu utjecati različiti čimbenici, na primjer, mutacije. To zahtijeva proučavanje uzoraka tvari kako bi rezultat analiza bio pouzdan i pouzdan. Primjer je test očinstva. Ali dobra je vijest da su takvi incidenti kao što je mutacija rijetki. Ipak, uzorci tvari uvijek se ponovno provjeravaju kako bi se na temelju analize dobili točniji podaci.

Biljni DNK

Zahvaljujući visokotehnološkom sekvenciranju (HTS) napravljena je revolucija u području genomike – moguća je i ekstrakcija DNK iz biljaka. Naravno, dobivanje visokokvalitetne molekularne mase DNK iz biljnog materijala uzrokuje određene poteškoće zbog velikog broja kopija DNA mitohondrija i kloroplasta, kao i visoke razine polisaharida i fenolnih spojeva. Za izoliranje strukture koju razmatramo, u ovom se slučaju koriste različite metode.

Vodikova veza u DNK

Vodikova veza u molekuli DNA odgovorna je za elektromagnetsko privlačenje stvoreno između pozitivno nabijenog vodikovog atoma, koji je vezan za elektronegativni atom. Ova dipolna interakcija ne zadovoljava kriterij kemijske veze. Ali može se realizirati intermolekularno ili u različitim dijelovima molekule, odnosno intramolekularno.

Atom vodika je vezan za elektronegativni atom, koji je donor ove veze. Elektronegativni atom može biti dušik, fluor, kisik. Ona – decentralizacijom – privlači oblak elektrona iz vodikove jezgre i čini atom vodika nabijenim (djelomično) pozitivno. Budući da je veličina H-a mala u usporedbi s drugim molekulama i atomima, naboj je također mali.

dekodiranje DNK

Prije dekodiranja molekule DNK, znanstvenici prvo uzmu ogroman broj stanica. Za najtočniji i uspješniji rad potrebno im je oko milijun. Rezultati dobiveni tijekom istraživanja stalno se uspoređuju i bilježe. Danas dekodiranje genoma više nije rijetkost, već pristupačna procedura.

Naravno, dešifriranje genoma jedne stanice je neprikladna vježba. Podaci dobiveni tijekom takvih studija ne zanimaju znanstvenike. No, važno je razumjeti da sve trenutno postojeće metode dekodiranja, unatoč njihovoj složenosti, nisu dovoljno učinkovite. Oni će omogućiti čitanje samo 40-70% DNK.

Međutim, profesori s Harvarda nedavno su najavili način na koji se može dešifrirati 90% genoma. Tehnika se temelji na dodavanju početnih molekula izoliranim stanicama, uz pomoć kojih počinje replikacija DNA. Ali čak se i ova metoda ne može smatrati uspješnom; još ju je potrebno poboljšati prije nego što se otvoreno koristi u znanosti.

MOSKVA, 25. travnja - RIA Novosti, Tatjana Pičugina. Prije točno 65 godina britanski znanstvenici James Watson i Francis Crick objavili su članak o dešifriranju strukture DNK, postavljajući temelje za novu znanost – molekularnu biologiju. Ovo otkriće mnogo je promijenilo u životu čovječanstva. RIA Novosti govore o svojstvima molekule DNK i zašto je to toliko važno.

U drugoj polovici 19. stoljeća biologija je bila vrlo mlada znanost. Znanstvenici su tek počeli proučavati stanicu, a koncept nasljeđa, iako ga je već formulirao Gregor Mendel, nije dobio široko prihvaćanje.

U proljeće 1868. mladi švicarski liječnik Friedrich Miescher došao je na Sveučilište u Tübingenu (Njemačka) radi znanstvenog rada. Namjeravao je saznati od kojih je tvari stanica građena. Za pokuse sam odabrao leukocite, koje je lako dobiti iz gnoja.

Odvajajući jezgru od protoplazme, proteina i masti, Misher je otkrio spoj s visokim udjelom fosfora. On je ovu molekulu nazvao nukleinom ("nukleus" na latinskom je jezgra).

Ovaj spoj je pokazao kisela svojstva, stoga je skovan izraz "nukleinska kiselina". Njegov prefiks "deoksiribo" znači da molekula sadrži H skupine i šećere. Tada se pokazalo da se zapravo radi o soli, ali naziv nije promijenjen.

Početkom 20. stoljeća znanstvenici su već znali da je nuklein polimer (tj. vrlo duga fleksibilna molekula ponavljajućih jedinica), jedinice se sastoje od četiri dušične baze (adenin, timin, guanin i citozin), a nuklein je sadržan u kromosomima – kompaktnim strukturama koje nastaju u stanicama koje se dijele. Njihovu sposobnost prijenosa nasljednih osobina pokazao je američki genetičar Thomas Morgan u pokusima na voćnim mušicama.

Model koji objašnjava gene

Ali što deoksiribonukleinska kiselina, ili skraćeno DNK, radi u jezgri stanice, dugo se nije razumjelo. Smatralo se da ima neku strukturnu ulogu u kromosomima. Jedinice nasljeđa - geni - pripisivane su prirodi proteina. Proboj je napravio američki istraživač Oswald Avery, koji je eksperimentalno dokazao da se genetski materijal prenosi s bakterija na bakterije putem DNK.

Postalo je jasno da DNK treba proučiti. Ali kako? U to vrijeme znanstvenicima su bile dostupne samo X-zrake. Da bi kroz njih zasjale biološke molekule, morale su se kristalizirati, a to je teško. Dešifriranje strukture proteinskih molekula uzorcima rendgenske difrakcije provedeno je u laboratoriju Cavendish (Cambridge, Velika Britanija). Mladi istraživači James Watson i Francis Crick koji su tamo radili nisu imali vlastite eksperimentalne podatke o DNK, pa su koristili radiografije kolega s King's Collegea Mauricea Wilkinsa i Rosalind Franklin.

Watson i Crick predložili su model strukture DNK koji točno odgovara uzorcima difrakcije rendgenskih zraka: dva paralelna lanca su uvijena u desnu spiralu. Svaki je lanac presavijen proizvoljnim nizom dušičnih baza, nanizanih na okosnicu njihovih šećera i fosfata, a zajedno drže vodikove veze razvučene između baza. Štoviše, adenin se kombinira samo s timinom, a gvanin - s citozinom. Ovo pravilo se naziva načelo komplementarnosti.

Model Watsona i Cricka objasnio je četiri glavne funkcije DNK: replikaciju genetskog materijala, njegovu specifičnost, pohranu informacija u molekuli i sposobnost mutacije.

Znanstvenici su svoje otkriće objavili u časopisu Nature 25. travnja 1953. godine. Deset godina kasnije, on i Maurice Wilkins dobili su Nobelovu nagradu za biologiju (Rosalind Franklin umrla je 1958. od raka u dobi od 37 godina).

"Sada, više od pola stoljeća kasnije, možemo ustvrditi da je otkriće strukture DNK igralo istu ulogu u razvoju biologije kao i otkriće atomske jezgre u fizici. Razjašnjenje strukture atoma dovelo je do rođenje nove, kvantne fizike, i otkriće strukture DNK doveli su do rođenja nove, molekularne biologije", piše Maxim Frank-Kamenetsky, izvanredni genetičar, istraživač DNK, autor knjige "The Najvažnija molekula".

Genetski kod

Sada je preostalo samo otkriti kako ova molekula radi. Bilo je poznato da DNK sadrži upute za sintezu staničnih proteina koji obavljaju sav posao u stanici. Proteini su polimeri sastavljeni od ponavljajućih nizova aminokiselina. Štoviše, postoji samo dvadeset aminokiselina. Životinjske se vrste razlikuju jedna od druge po skupu proteina u stanicama, odnosno po različitim slijedovima aminokiselina. Genetika je tvrdila da te sekvence daju geni, za koje se tada vjerovalo da služe kao prvi gradivni blokovi života. Ali što su geni, nitko nije točno znao.

Autor teorije Velikog praska, fizičar Georgy Gamov, zaposlenik Sveučilišta George Washington (SAD), jasno je to rekao. Na temelju modela dvolančane DNA heliksa Watsona i Cricka sugerirao je da je gen dio DNK, odnosno određeni slijed poveznica – nukleotida. Budući da je svaki nukleotid jedna od četiri dušične baze, samo trebate shvatiti kako četiri elementa kodiraju dvadeset. To je bila ideja iza genetskog koda.

Do ranih 1960-ih ustanovljeno je da se proteini sintetiziraju iz aminokiselina u ribosomima - svojevrsnim "tvornicama" unutar stanice. Za početak sinteze proteina, enzim se približava DNK, prepoznaje određeno mjesto na početku gena, sintetizira kopiju gena u obliku male RNA (koja se naziva šablonska RNA), zatim se iz aminokiselina uzgaja protein u ribosomu.

Također su otkrili da je genetski kod troslovni. To znači da tri nukleotida odgovaraju jednoj aminokiselini. Jedinica koda zvala se kodon. U ribosomu se informacija iz mRNA čita kodon po kodon, uzastopno. I svaki od njih odgovara nekoliko aminokiselina. Kako izgleda šifra?

Na ovo pitanje odgovorili su Marshall Nirenberg i Heinrich Mattei iz SAD-a. Godine 1961. prvi su put predstavili svoje rezultate na biokemijskom kongresu u Moskvi. Do 1967. genetski kod je bio potpuno dešifriran. Pokazalo se da je univerzalan za sve stanice svih organizama, što je imalo dalekosežne posljedice za znanost.

Otkriće strukture DNK i genetskog koda potpuno je preorijentiralo biološka istraživanja. Činjenica da svaki pojedinac ima jedinstvenu sekvencu DNK iz temelja je promijenila forenzičku znanost. Dešifriranje ljudskog genoma dalo je antropolozima potpuno novu metodu proučavanja evolucije naše vrste. Nedavno izumljeni DNK uređivač CRISPR-Cas uvelike je povukao genetski inženjering. Očigledno, ova molekula pohranjuje rješenje za najhitnije probleme čovječanstva: rak, genetske bolesti, starenje.

Monomerne jedinice su nukliatidi.

Što je DNK?

Sve informacije o strukturi i funkcioniranju bilo kojeg živog organizma sadržane su u kodiranom obliku u njegovom genetskom materijalu. Osnova tjelesnog genetskog materijala je deoksiribonukleinska kiselina (DNK).

DNK u većini organizama to je duga, dvolančana polimerna molekula. Slijed monomerne jedinice (deoksiribonukleotidi) u jednom od svojih lanaca odgovara ( komplementarne) slijed deoksiribonukleotida u drugom. Načelo komplementarnosti osigurava sintezu novih molekula DNK, identičnih originalnim, kada se udvostruče ( replikacija).

Dio molekule DNK koji kodira određenu osobinu - gen.

Geni- to su pojedinačni genetski elementi koji imaju strogo specifičan nukleotidni slijed i kodiraju određene karakteristike organizma. Neki od njih kodiraju proteine, drugi samo RNA molekule.

Informacije sadržane u genima koji kodiraju proteine ​​(strukturni geni) dekodiraju se u dva uzastopna procesa:

• Sinteza RNA (transkripcija): u određenoj regiji DNK, kao na šabloni, se sintetizira glasničku RNA (mRNA).
• sinteza proteina (prijevod): Tijekom koordiniranog rada višekomponentnog sustava uz sudjelovanje transportna RNA (tRNA), mRNA, enzimi i razne proteinski čimbenici provedeno sinteza proteina.

Svi ti procesi osiguravaju ispravan prijevod genetske informacije kodirane u DNK s jezika nukleotida u jezik aminokiselina. Slijed aminokiselina proteinske molekule definira njegovu strukturu i funkcije.

Struktura DNK

DNK- ovo je linearni organski polimer... Njegov - nukleotidi, koji se pak sastoje od:

U ovom slučaju, fosfatna skupina je vezana za 5'-atom ugljika monosaharidni ostatak, a organska baza - do 1'-atom.

Postoje dvije vrste baza u DNK:

Struktura nukleotida u molekuli DNK

V DNK predstavljen monosaharid 2'-deoksiriboza koji sadrži samo 1 hidroksilna skupina (OH) i u RNA - riboza imajući 2 hidroksilne skupine (OH).

Nukleotidi su međusobno povezani fosfodiesterske veze, dok je fosfatna skupina 5'-atom ugljika jedan nukleotid vezan za 3'-OH-skupina deoksiriboze susjedni nukleotid (slika 1). Na jednom kraju polinukleotidnog lanca nalazi se Z'-OH-skupina (Z'-kraj), a s druge - 5'-fosfatna skupina (5'-kraj).

Razine strukture DNK

Uobičajeno je razlikovati 3 razine strukture DNK:

• primarni;
• sekundarni;
• tercijarni.

Primarna struktura DNK Je slijed rasporeda nukleotida u polinukleotidnom lancu DNK.

Sekundarna struktura DNK stabilizira između komplementarnih parova baza i dvostruka je spirala od dva antiparalelna lanca uvijena udesno oko jedne osi.

Opći okret spirale 3,4 nm, udaljenost između lanaca 2nm.

Tercijarna struktura DNK je supersperalizacija DNK. Dvostruka spirala DNA u nekim regijama može doživjeti daljnju spiralizaciju s formiranjem superzavojnice ili otvorenog kružnog oblika, što je često uzrokovano kovalentnom vezom njihovih otvorenih krajeva. Struktura supersmotane DNK omogućuje ekonomično pakiranje vrlo duge molekule DNA u kromosomu. Dakle, u izduženom obliku, duljina molekule DNK je 8 cm, a u obliku super spirale se uklapa u 5 nm.

Chargaffovo pravilo

E. Chargaffovo pravilo Je li pravilnost kvantitativnog sadržaja dušičnih baza u molekuli DNK:

1. DNK molarne frakcije purinske i pirimidinske baze su jednake: A +G = C+ T ili (A +G)/(C + T) = 1.
2. U DNK broj baza s amino skupinama (A +C) jednaki broj baza s keto skupinama (G+ T):A +C= G+ T ili (A +C)/(G+ T) = 1
3. Pravilo ekvivalencije, odnosno: A = T, G = C; A / T = 1; G / C = 1.
4. Sastav nukleotida DNK u organizmima raznih skupina je specifična i karakterizirana koeficijent specifičnosti: (G + C) / (A + T). Kod viših biljaka i životinja koeficijent specifičnosti manji od 1, a neznatno varira: od 0,54 prije 0,98 , u mikroorganizmima je više od 1.

Watson-Crick DNK model

1953. James Watson i Franjo Vrisak, na temelju podataka rendgenske strukturne analize DNA kristala, došao do zaključka da nativni DNK sastoji se od dva polimerna lanca koji tvore dvostruku spiralu (slika 3).

Namotani polinukleotidni lanci drže se zajedno vodikove veze nastala između komplementarnih baza suprotnih lanaca (slika 3). Pri čemu adenin uparuje samo sa timina, a gvanin- sa citozin... Par baza NA stabilizira dvije vodikove veze i par G-C - tri.

Duljina dvolančane DNK obično se mjeri brojem parova komplementarnih nukleotida ( NS.n.). Za molekule DNK koje se sastoje od tisuća ili milijuna parova nukleotida, prihvaćaju se jedinice tako dalje i m.p.n. odnosno. Na primjer, DNK ljudskog kromosoma 1 je duljina jedne dvostruke spirale 263 m.p.n.

Šećerno-fosfatna okosnica molekule, koji se sastoji od povezanih fosfatnih skupina i ostataka deoksiriboze 5'-3'-fosfodiesterske veze, tvori "bočne stijenke spiralnog stubišta", a bazne parove NA i G-C- njegove korake (slika 3).

Slika 3: Watson-Crick DNK model

Lanci molekula DNK antiparalelni: jedan od njih ima smjer 3 ’→ 5 ′, drugi 5 ’→ 3 ′... U skladu s princip komplementarnosti ako jedan od lanaca sadrži nukleotidni slijed 5-TAGGCAT-3 ′, onda u komplementarnom nizu na ovom mjestu mora postojati slijed 3′-ATCCGTA-5 ′... U ovom slučaju, dvolančani oblik će izgledati ovako:

• 5′-TAGGCAT-3 ′
• 3-ATCCGTA-5 '.

U takvom zapisu 5'-kraj gornjeg lanca uvijek se postavljaju s lijeve strane, i 3'-kraj- desno.

Nositelj genetske informacije mora ispunjavati dva osnovna zahtjeva: reproducirati (replicirati) s visokom vjernošću i odrediti (kodirati) sintezu proteinskih molekula.

Watson-Crick DNK model u potpunosti ispunjava ove zahtjeve, budući da:

• prema principu komplementarnosti, svaki lanac DNA može poslužiti kao šablona za stvaranje novog komplementarnog lanca. Stoga se nakon jednog kruga formiraju dvije molekule kćeri, od kojih svaka ima isti nukleotidni slijed kao izvorna molekula DNK.
• nukleotidni slijed strukturnog gena jedinstveno definira sekvencu aminokiselina proteina koji kodira.

1. Jedna ljudska DNK molekula sadrži oko 1,5 gigabajta informacija... Istovremeno, DNK svih stanica ljudskog tijela zauzima 60 milijardi terabajta, što je pohranjeno u 150-160 grama DNK.
2. Međunarodni dan DNK slavi se 25. travnja. Bilo je to na današnji dan 1953. godine James Watson i Francis Creek objavljeno u časopisu Priroda moj članak pod naslovom "Molekularna struktura nukleinskih kiselina" , koji opisuje dvostruku spiralu molekule DNA.

Bibliografija: Molekularna biotehnologija: principi i primjene, B. Glick, J. Pasternak, 2002.