Информация

Одна молекула ДНК такая же, как одна хромосома

Одна молекула ДНК такая же, как одна хромосома


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Одна молекула ДНК = одной хромосоме или одна молекула ДНК = всем хромосомам, то есть всему генетическому материалу в наших клетках? Я погуглил, но не получаю четких ответов?


Учитывая энциклопедическое определение молекулы…

Молекулы удерживаются вместе с помощью общих электронных пар или ковалентных связей.

… Одна молекула ДНК - это одна нить ДНК.

Другими словами, одна молекула ДНК представляет собой полимер нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями. Это означает, что один неповрежденный двухцепочечный хромосома состоит из два молекулы ДНК, взаимодействующие водородными связями.

Однако на практике один фрагмент двухцепочечной ДНК обычно называют молекулой ДНК.

Все хромосомы в клетке составляют единое целое. геном.

Чтобы еще больше усугубить путаницу, можно сказать, что идентичные хроматиды составляют единую хромосому, так что одна реплицированная хромосома, состоящая из двух хроматид, может содержать четыре Молекулы ДНК по определению, приведенному выше.


Обратите внимание, в той же энциклопедии ионные связи перечислены как находящиеся в том же «континууме», что и ковалентные связи ...

Поэтому ионную и ковалентную связь можно рассматривать как составляющую континуума, а не как альтернативу.

… Поэтому атомы, удерживаемые вместе в ионных взаимодействиях, также считаются молекулами по этому определению.


Старший семинар Медицинская этика в 21 веке

ИНСТРУКТОР: Д-р Генри Якубовски

Структура ДНК

ДНК представляет собой полимер, состоящий из мономеров, называемых нуклеотидами. Мономер содержит простой сахар (дезоксирибозу), фосфатную группу и циклическую органическую группу, которая является основанием (не кислотой). Только четыре В ДНК используются основания, которые мы будем для простоты обозначать как A, G, C и T. Полимер состоит из сахарно-фосфатно-сахарно-фосфатной основы, с 1 основанием, прикрепленным к каждой молекуле сахара. ДНК может существовать в одинарной (с одним сахарно-фосфатным остовом), двухцепочечной (с двумя сахарно-фосфатными остовами, которые связываются друг с другом через свои основания) или в смешанных формах. На самом деле неправильно называть дцДНК молекулой, поскольку на самом деле она состоит из двух разных комплементарных цепей, удерживаемых вместе IMF. Однако большинство людей говорят о молекуле дцДНК, и я тоже. ДцДНК различается по длине (количество соединенных сахарно-фосфатных единиц), составу оснований (сколько оснований в каждом наборе) и последовательности (порядок оснований в позвоночник.Ссылки по ссылкам ниже помогут вам понять свойства ДНК.

Строение хромосомы

Большинство людей видели изображения хромосом, просматриваемые в микроскоп. Посмотрите эту удивительную фотографию хромосомы, сделанную в журнале Scientific American, сентябрь 1995 года.

Хромосомы состоят из одной молекулы дцДНК. Каждая соматическая (телесная) клетка вашего тела имеет 23 пары хромосом, один член каждой пары предоставлен вашей матерью, а другой - вашим отцом. (В половых клетках - яйцеклетках и сперматозоидах - 23 отдельных хромосомы, а не пары хромосом.) Одна пара - это половые хромосомы, которые могут иметь две формы, X и Y. Пара X дает женщину, а результат XY у мужчины.

В геноме человека около 3 миллиардов пар оснований ДНК. Следовательно, в среднем каждая отдельная хромосома пары имеет около 150 миллионов пар оснований, которые состоят из одной молекулы ДНК и множества связанных с ней белков. дцДНК - это сильно заряженная молекула, и в первом приближении ее можно рассматривать как длинную палочковидную молекулу с большим негативом. плата. Эту очень большую молекулу нужно каким-то образом упаковать в маленькое ядро. Проблема упаковки решается путем свертывания ДНК и упаковки ее белками, которые обычно имеют чистый положительный заряд. Хромосомы обычно рассредоточены внутри ядра и не видны в обычный микроскоп. Когда клетка готова к делению, ДНК в хромосомах реплицируется, и хромосомы конденсируются таким образом, что их можно увидеть (при окрашивании) в обычный микроскоп. На этом этапе хромосомы могут быть окрашены различными красителями (отсюда и название хромосомы), некоторые из которых по-разному связываются с разными хромосомами. Следовательно, разные хромосомы можно различать по размеру, форме и свойствам связывания красителя.

Стандартное изображение хромосомы, с которым вы знакомы, в том числе показанное выше, на самом деле представляет собой одну хромосому из пары, которая только что реплицировалась! Одна из хромосом останется в материнской клетке, а другая - в дочерней. Эти две хромосомы, которые выровнены и кажутся соединенными в своих центрах, называются сестринскими хроматидами. Эти большие комплексы ДНК / белок должны быть дополнительно упакованы в ядре, как показано на уменьшающем представлении «Карла Саганеска» о хромосоме, когда двухцепочечная молекула ДНК обвивается вокруг ядра белков.

Интересные факты о ДНК, которые нужно знать и рассказывать

  • Наибольшая известная непрерывная последовательность ДНК (хромосома 3 дрожжей): 350 x 10 6 п.н.?
  • Геном E. Coli: 4,6 x 10 6 п.н. (4,6 млн п.н.)
  • Геном дрожжей: 16 x 10 6 п.н.
  • Наименьшая хромосома человека (Y) 50 x 10 6 п.н.
  • Червь: 100 х 10 6 п.
  • Плодовая мушка: 160 x 10 6 п.н.
  • Самая большая хромосома человека (1) 250 x 10 6 п.н.
  • Полный геном человека 3 x 10 9 (3 миллиарда) п.н.
  • Геном мыши: 3 x 10 9 п.н.
  • Длина развернутой дцДНК в клетке человека: около 2 метров.
  • Количество человеческих клеток: около 100 триллионов
  • Сколько раз ДНК всех клеток человека, если их растянуть, могла достигать солнца и обратно: около 700
  • Если бы данные были собраны в виде книг, они бы заняли примерно 200 томов размером с телефонную книгу Манхэттена (по 1000 страниц в каждом), и для их чтения потребовалось бы 26 лет работы в круглосуточном режиме (рис. 14). Геном плодовой мухи будет 10 книг, дрожжи 1 книга, кишечная палочка 300 страниц, а хромосома 3 дрожжей будет 14 страниц.
  • Любые два человека различаются примерно на три миллиона - 3 x 10 6 оснований (0,1%). Население сейчас составляет около 6 x 10 9 (6 миллиардов). Каталог всех различий последовательностей потребует 15 x 10 15 записей. Этот каталог может понадобиться для поиска генов самых редких или сложных заболеваний.

Центральная догма биологии:

ДНК - это носитель генетической информации в организмах. Что это обозначает? Большие молекулы в организме могут выполнять множество функций: они могут обеспечивать структуру, действовать как катализатор химических реакций, служить для восприятия изменений в окружающей их среде (приводящих к иммунным ответам на чужеродных захватчиков и к нейронным ответам на раздражители, такие как свет, тепло, звук и т. Д.). прикоснуться и т. д.) и обеспечить подвижность. ДНК на самом деле ничего из этого не делает. Скорее вы можете рассматривать его как систему хранения информации. Информация должна быть декодирована, чтобы можно было построить другие большие молекулы. Другие молекулы обычно являются белками, другим классом крупных полимеров в организме. Хромосомы расположены в ядре клетки. ДНК необходимо дублировать в процессе, называемом репликация до деления клетки. Репликация ДНК позволяет каждой дочерней клетке содержать полный набор хромосом.

Анимация репликации: требуется плагин Hypercosm (доступен при выборе ссылки)

Фактическая информация в ДНК хромосом декодируется в процессе, называемом транскрипция через образование другой нуклеиновой кислоты, рибонуклеиновой кислоты или РНК. РНК, созданная ферментом РНК-полимеразой, комплементарна одной цепи ДНК. РНК отличается от ДНК тем, что РНК содержит в своей основе рибозу, а не дезоксирибозу. Кроме того, в РНК отсутствует основание T. Вместо этого оно заменяется основанием U, которое комплементарно A (поскольку T комплементарно A в ДНК). Образовавшаяся РНК действует как мессенджер, который переходит из ядра в цитоплазму клетки. Фактически, этот тип РНК часто называют информационной РНК, мРНК. Информация из ДНК, теперь в форме линейной последовательности РНК, декодируется в процессе, называемом перевод, чтобы сформировать белок, другой биологический полимер. Мономер в белке называется аминокислотой, это совершенно другой вид молекулы, чем нуклеотид. Существует двадцать различных встречающихся в природе аминокислот, которые различаются одной из 4 групп, связанных с центральным атомом углерода. В аминокислоте центральный (альфа) углерод имеет аминогруппу (RNH2), группу карбоновой кислоты (RCOOH) и H и присоединенную к ней группу R. С четырьмя различными группами, присоединенными к центральному атому углерода, все аминокислоты (кроме глицина) являются хиральными и существуют в энантиомерах или формах зеркального отображения. В белках содержится только одно зеркальное отражение.

20 естественных аминокислот - молекулярные модели: обратите внимание на общие синие и красные группы во всех аминокислотах. Обратите внимание на разные группы «R», указывающие вниз на каждом рисунке.

Мономеры объединяются в длинную цепь, называемую белком. Линейная последовательность белка может быть изображена разными способами, как показано ниже.

В отличие от комплементарности ДНК и РНК (1 основание в РНК, комплементарное 1 основанию в ДНК), не существует соответствия 1: 1 между основанием (частью мономерной единицы РНК) в РНК и мономером в белке. . После долгой работы было обнаружено, что непрерывная линейная последовательность из 3 нуклеотидов в РНК декодируется молекулярным механизмом цитоплазмы, в результате чего к растущему белку добавляется 1 аминокислота. Следовательно, триплет нуклеотидов в ДНК и РНК имеет информацию для 1 аминокислоты в белке. То, что не существует соответствия 1: 1 между нуклеотидами в нуклеиновых кислотах и ​​аминокислотами в белках, было очевидно давно, поскольку существует только 4 различных мономера ДНК (с A, T, G и C) и 4 разных мономера РНК (с A , U, G и C), но есть 20 различных мономеров аминокислот, которые составляют белки.

Теперь выясняется, что не вся информация в последовательности ДНК организма кодирует белок. Фактически, только около 2% из 3 миллиардов пар оснований, по-видимому, транскрибируются в РНК, которая может транслироваться в белок. Функция остальной части ДНК в настоящее время неизвестна. Откуда молекулярный аппарат клетки знает, какая часть ДНК кодирует белки. Оказывается, существуют уникальные последовательности ДНК в начале и в конце той части последовательности ДНК, которая кодирует белок. Проследите ДНК хромосомы, и внезапно вы обнаружите те сигналы, которые распознаются клеточным механизмом. Комплементарная РНК создается из этого раздела, а затем комплементарная РНК декодируется в один белок. Продолжайте движение вниз по последовательности ДНК, и обнаруживается другая такая кодирующая последовательность, которую можно транскрибировать в мРНК, которая затем может быть транслирована в другой уникальный белок. Всего существует около 30-40 тысяч таких участков ДНК во всех хромосомах, которые кодируют информацию о 30-40 тысячах уникальных белков. Эти уникальные кодирующие участки ДНК, которые в конечном итоге транскрибируются в уникальные мРНК, которые транслируются в уникальные белки, называются гены. Для простоты мы заключаем, что один ген имеет информацию для одного белка. Каждый из белков отличается друг от друга как длиной, так и конкретной последовательностью аминокислот в белке. ДНК действительно является планом клетки. Фактические характеристики клеток определяют сами белки, производимые клеткой.

Не только ДНК должна быть транскрибирована в ДНК, но генетическая информация в ДНК должна быть реплицирована до того, как данная клетка делится, чтобы дочерние клетки содержали одинаковую генетическую информацию. При репликации дцДНК отделяется, и фермент, ДНК-полимераза, создает дополнительные копии каждой цепи. Две полученные цепи дцДНК разделяются на разные дочерние клетки во время деления. Процесс, при котором ДНК реплицируется при делении клеток и транскрибируется в РНК, которая транслируется в белок, называется центральной догмой биологии. (не обращайте внимания на тРНК, рРНК и мяРНК в предыдущей веб-ссылке)

Как упоминалось выше, каждая аминокислота определяется конкретной комбинацией трех нуклеотидов в РНК. Три основания называются кодоном. Генетический код состоит из диаграммы, которая показывает, какая триплетная последовательность или кодон РНК в мРНК кодирует какую из 20 аминокислот. Один из кодонов не кодирует аминокислоты и служит для остановки синтеза белка из последовательности мРНК. Генетический код показан ниже:

Определение белковой последовательности из последовательности ДНК.

Для данного гена только одна цепь ДНК служит матрицей для транскрипции. Пример показан ниже. Нижняя (синяя) прядь в этом примере - это шаблон прядь, которую еще называют минус (-) прядь, или смысл прядь. Именно эта цепь служит матрицей для синтеза мРНК. Ферментная РНК-полимераза синтезирует мРНК в направлении от 5 'до 3', комплементарном этой матричной цепи. Противоположная цепь ДНК (красная) называется c oding прядь, не шаблонный прядь, плюс (+) прядь, или антисмысловой прядь.

Самый простой способ найти соответствующий последовательность мРНК (показано зеленым цветом ниже), чтобы прочитать кодирование, без шаблона, плюс (+) , или антисмысловой цепь прямо в направлении 5 'на 3', заменяя U на T. Найдите триплет в кодирующей цепи, замените любые T на U и прочитайте из генетического кода соответствующую аминокислоту, которая будет включена в растущий белок.

В отличие от линейных полимеров ДНК и РНК, белки (линейные полимеры аминокислот) складываются в трехмерном пространстве, образуя структуры уникальной формы. Каждая уникальная последовательность белка (определенной длины и последовательности аминокислот) складывается в уникальную трехмерную форму. Следовательно, в организме человека около 30-40 тысяч белков различной формы. Белки не только имеют уникальную форму, но и имеют уникальные уголки, щели и карманы, которые позволяют им связывать другие молекулы. Связывание других молекул с белками или ДНК инициирует или прекращает функцию белка или нуклеиновой кислоты, подобно переключателю включения / выключения. В приведенном ниже примере показаны различные белковые структуры, с некоторыми из которых связаны небольшие или большие молекулы (например, ДНК). Некоторые общие мотивы обнаруживаются в трехмерной структуре белка. Включают альфа-спирали и бета-листы. Они удерживаются вместе с помощью Н-связей между слегка положительным H на N в скелете протеина и немного отрицательным O дальше на остове протеина. В приведенных ниже моделях Chime используйте элементы управления мышью, чтобы вращать молекулу. (Также щелчок левой кнопкой мыши изменит размер молекулы). Щелкните команду в правом кадре, чтобы изменить отображение белков. Мультяшный вид позволяет легко интерпретировать общую структуру основной цепи.

Миоглобин - белок, связывающий кислород

(белковый фермент, который очищает организм от токсичных побочных продуктов кислорода, и высокий уровень этого белка связан с более длительной продолжительностью жизни).

Если последовательность ДНК в кодирующей области изменяется, результирующая мРНК также будет изменена, что приведет к изменениям в последовательности белка. Эти изменения могут не иметь эффекта и не иметь никакого значения, если изменение белка не влияет на укладку белка или его связывание с другой важной молекулой. Однако, если изменения затрагивают либо область сворачивания, либо область связывания, белок может быть не в состоянии выполнять свою обычную функцию. Если бы функция заключалась в том, чтобы остановить деление клеток, результат мог бы привести к тому, что клетка станет злокачественной. Точно так же, если нормальный белок сыграл роль в том, что клетка умирала по истечении предполагаемого срока жизни, клетка с мутантным белком могла не погибнуть и, скорее, стать опухолью. Возможны противоположные сценарии, которые могут привести к преждевременной смерти клетки.

Точечные мутации: от невезения и нуклеотидных аналогов

Большие мутации: делеции, вставки, дупликации и инверсии

В первом приближении мы решили, что гены представляют собой непрерывные сегменты ДНК, которые транскрибируются в одну непрерывную цепь РНК, которая транслируется в один белок. В геноме человека содержится около 40 000 генов, из чего следует, что можно создать 40 000 белков. Но учтите это. У нас есть иммунная система, которая может распознавать почти любые инородные молекулы, брошенные в нее. Один из иммунных ответов - это выработка антител, которые представляют собой белки, которые распознают чужеродные молекулы и связываются с ними. Сколько разных молекул антител мы можем сделать. Надеюсь, их число превышает 40 000, но как наш ограниченный геном кодирует их все, а также другие необходимые белки. Одним из решений проблемы может быть более одного белка, который может возникнуть из одной последовательности гена ДНК. Это обычное явление для небактериальных клеток. Как это произошло?

Один из механизмов возникает из того факта, что единственный «ген» делится на кодирующие (экзоны) и кодирующие промежуточные (интрон) последовательности. Весь ген, включая интроны, транскрибируется в РНК. Кодирующие части РНК должны быть разрезаны вместе с удалением некодирующих последовательностей РНК, чтобы получить зрелую РНК. Если разные экзоны в данном «гене» сплайсируются вместе с образованием разных «зрелых» молекул РНК, то разные белки могут возникать из одной и той же исходной «генной последовательности».

Гены и болезнь

ДНК: владение языком

Четырехбуквенный алфавит (A, G, C и T), из которого состоит ДНК, представляет язык, который, когда транскрибируется а также переведено приводит к несметному количеству белков, которые делают нас такими, какие мы есть как вид и как личности. Продолжим метафору о том, что ДНК - это язык. Чтобы овладеть этим языком, как и любым другим языком, мы должны уметь читать, записывать, копировать, а также редактировать этот язык. Если бы вы использовали текстовый процессор для поиска одной строчки в 100-страничном документе или одной статьи из одной книги из Библиотеки Конгресса или телефонной книги Манхэттена, вам также понадобится способ поиск имеется большая база для печати. Вы можете захотеть сравнивать две разные копии файлов, чтобы проверить, не отличаются ли они друг от друга. Из этого онлайн-обсуждения вы узнаете, как современные ученые читают, пишут, копируют, редактируют, ищут и сравнивают язык генома. Эти способности, приобретенные за последние двадцать лет, революционизировали наше понимание жизни и дали нам возможность изменять, добро или зло, саму жизнь.

УПРАВЛЕНИЕ ДНК

ДНК в хромосомах человека существует как одна длинная двухцепочечная молекула. Это слишком долго, чтобы физически изучать и манипулировать в лаборатории. Используя батарею ферментов, ДНК хромосом можно химически расщепить на более мелкие фрагменты, которыми легче манипулировать. (Подобные методы используются для секвенирования белков, что требует создания перекрывающихся полипептидных фрагментов.) После того, как фрагменты были созданы, их необходимо отделить друг от друга, чтобы изучить их. Фрагменты ДНК можно разделить на основе некоторой структурной особенности, которая отличает фрагменты друг от друга.Лучший способ отделить фрагменты друг от друга - это разделение на основе фактического размера фрагмента путем разделения молекул на основе их заряда с использованием метода, называемого электрофорезом на агарозном или полиакриламидном геле.

Углеводный экстракт агарозы получают из водорослей. К экстракту добавляют воду, которую затем нагревают. Углеводный экстракт растворяется в воде с образованием вязкого раствора. Раствор агарозы выливают в форму (например, теплое желе) и дают ему затвердеть. Пластиковую гребенку с широкими зубьями помещали в агарозу, когда она была еще жидкой. Когда агароза затвердеет, гребешок можно снять, оставив на его месте небольшие лунки. В лунки можно поместить раствор фрагментов ДНК. Пластинка агарозы с образцом покрывается буферным раствором и электроды помещаются на каждом конце пластины. Отрицательный электрод помещают рядом с концом лунки агарозной пластины, а положительный электрод - на другом конце. Если напряжение приложено к пластинке агарозы, отрицательно заряженные фрагменты ДНК будут перемещаться через гель агарозы к положительному электроду. Эта миграция заряженных молекул в растворе к противоположно заряженному электроду называется электрофорезом. Представьте, что вы один из осколков. Вам гель выглядит как клубок паутины. Вы пробираетесь сквозь отверстия в паутине, двигаясь прямо к положительному электроду. Чем больше фрагмент, тем медленнее вы двигаетесь, потому что через запутанную паутину трудно пройти. И наоборот, чем короче фрагмент, тем быстрее вы двигаетесь. Используя этот метод и множество его модификаций, олигонуклеотиды, отличающиеся только одним нуклеотидом, можно отделить друг от друга. По мере прочтения оставшейся части этого урока вы придете к глубокому осознанию того, что все эти методы каким-то образом основаны на простом принципе, что небольшие олигонуклеотиды взаимодействуют с ДНК посредством межмолекулярных сил!

Чтобы определить последовательность одноцепочечной части ДНК, комплементарная цепь синтезируется с использованием фермента ДНК-полимеразы. Фермент добавляется к ДНК вместе с 4 мономерами, которые используются для создания ДНК с A, C, G и T. Мономеры называются dATP, dCTP, dGTP, dTTP. Кроме того, в одну реакционную пробирку добавляют небольшие количества дидезоксиАТФ (ddATP). Аналогичным образом небольшие количества dd CTP, ddGTP и ddTTP добавляются в три другие реакционные пробирки. В пробирке с dATP и небольшими количествами ddATP, dATP и ddATP случайным образом присоединяются к растущему 3'-концу комплементарной цепи. Если добавлен ddATP, никакие дополнительные нуклеотиды не могут быть добавлены после, поскольку его 3'-конец имеет H, а не OH. Вот почему они называют это дидеокси. Новая цепочка завершается. Если добавлен dATP, цепочка будет продолжать расти до тех пор, пока не потребуется добавить еще один A. Следовательно, будет получена целая серия дискретных фрагментов цепей ДНК, все заканчивающиеся при добавлении ddATP. Тот же сценарий имеет место для других 3 пробирок, которые содержат dCTP и ddCTP, dTTP и ddTTP, а также dGTP и ddGTP соответственно. Все фрагменты, сделанные в каждой пробирке, будут помещены на отдельные дорожки для электрофореза, где фрагменты будут разделены по размеру. Более современные методы позволяют использовать различные флуоресцентные метки для добавления к синтезированным фрагментам, оканчивающимся на G, T, A или C.

Human Genome Project (общественный консорциум) и частная инициатива Celera недавно объявили, что они завершили рабочий проект всей последовательности человеческого генома. Проект «Геном человека» занимается секвенированием ДНК, собранной у ряда добровольцев, личность которых будет оставаться в секрете для защиты их конфиденциальности. Завершение последовательности ДНК генома человека предоставит ученым инструмент для генетики, подобный Периодической таблице элементов. Но вместо 100 химических элементов в геноме около 30-40 тысяч элементов, человеческих генов. Когда у вас есть таблица элементов, вы можете начать выяснять, как гены функционируют, как гены взаимодействуют и как они способствуют распространенным заболеваниям. Другие проекты определяют полные последовательности многих инфекционных бактерий и высших организмов, включая плодовых мух, круглых червей, мышей и шимпанзе, наших ближайших генетических родственников (идентичность 98,6%).

Олигонуклеотид можно синтезировать на твердой бусине. Добавляя по одному нуклеотиду за раз, можно контролировать последовательность и длину олигонуклеотида.

Существует несколько методов миллионного копирования последовательности ДНК. В большинстве методов используются плазмиды (которые содержатся в бактериях) и вирусы (которые могут заразить любую клетку). ДНК плазмиды или вируса сконструирована так, чтобы содержать копию конкретной интересующей последовательности ДНК. Затем плазмида или вирус повторно вводят в клетку, где происходит амплификация.

Первоначально ДНК, содержащая ген, разрезается в определенных местах с помощью фермента, называемого эндонуклеазой рестрикции, или для краткости рестрикционного фермента. Фермент, который вы можете представить себе как молекулярные ножницы, не расщепляет ДНК в каком-либо старом месте, а, скорее, в «ограниченных» местах последовательности. Эндонуклеаза рестрикции должна расщеплять обе цепи дцДНК. Он может аккуратно обрезать нити, чтобы оставить тупые концы, или в шахматном порядке, чтобы оставить небольшие хвосты оцДНК. В геноме случайным образом существует множество таких сайтов. Интересующий ген должен быть фланкирован с обеих сторон такой последовательностью. Тот же фермент используется для расщепления плазмидной или вирусной ДНК.

Затем чужеродный фрагмент ДНК может быть добавлен к плазмиде или вирусной ДНК, как показано, для образования рекомбинантной молекулы ДНК. Этот метод клонирования ДНК является основой всей области технологии рекомбинантной ДНК.

Анимация сращивания генов - требуется плагин Hypercosm (доступен при выборе ссылки)

Плазмида может быть добавлена ​​к бактериям, которые поглощают ее в процессе, называемом трансформацией. Плазмида может реплицироваться в бактериях, которые будут копировать интересующий фрагмент ДНК. Аналогичный метод можно использовать для копирования ДНК, в которой чужеродный фрагмент рекомбинирован с ДНК бактериофаг , вирус, поражающий такие бактерии, как E. Coli. Рекомбинантная ДНК может быть упакована в настоящие вирусы, как показано ниже. Когда вирус заражает бактерии, он дает клеткам команду создать миллионы новых вирусов, тем самым копируя интересующий чужеродный фрагмент.

Иногда «клонирование» или копирование фрагмента ДНК - не то, что на самом деле нужно исследователю. Существует один такой возможный метод, в котором вы начинаете с реальной мРНК интересующего белка. В этом методе копия дцДНК создается из молекулы оц-мРНК. Такая дцДНК называется кДНК для комплементарной или копирующей ДНК. Затем его можно клонировать в вектор плазмиды или бактериофага и амплифицировать, как описано выше.

В середине 80-х был разработан новый метод копирования (амплификации) ДНК в пробирке. Не требует плазмиды или вируса. Для этого просто требуется фрагмент ДНК, несколько праймеров (небольшие полинуклеотиды, комплементарные участкам ДНК на каждой цепи и охватывающие участок ДНК, который необходимо амплифицировать. Просто добавьте к этой смеси dATP, dCTP, dGTP, dTTP и термостойкую ДНК-полимеразу из организм Thermophilus aquaticus (который живет в горячих источниках), и вперед. Смесь сначала нагревают до температуры, которая вызывает разделение цепей дцДНК. Температура понижается, позволяя праймерам связываться с оцДНК. Термостойкая полимераза Taq (от Тгермофил водныйuaticus) полимеризует ДНК из праймеров. Температура снова повышается, что позволяет разделить цепь дцДНК. При охлаждении праймеры снова отжигаются с исходной и вновь синтезированной ДНК из последнего цикла, и синтез ДНК происходит снова. Этот цикл повторяется, как показано на схеме. Эта цепная реакция называется полимеразной цепной реакцией (ПЦР). Синтезированная целевая ДНК амплифицируется миллион раз за 20 циклов или миллиард раз за 30 циклов, что можно сделать за несколько часов.

Используя технологию рекомбинантной ДНК, ген, кодирующий белок, может быть изменен по одному или нескольким нуклеотидам таким образом, чтобы либо изменить одну или несколько аминокислот, либо добавить или удалить одну или несколько аминокислот. Этот метод, называемый сайт-специфическим мутагенезом, широко используется химиками-протеинами для определения важности данной аминокислоты в укладке, структуре и активности белка. Методы описаны на схеме ниже.

Где на хромосоме находится ген, кодирующий данный белок? Один из способов найти ген - синтезировать небольшой олигонуклеотидный «зонд», который комплементарен части действительной последовательности ДНК гена (определенной из предыдущих экспериментов). Присоедините флуоресцентную молекулу к зонду ДНК. Затем возьмите клеточный препарат, в котором хромосомы можно увидеть под микроскопом. К клетке добавьте основание, которое раскручивает двухцепочечную спираль ДНК, добавьте флуоресцентный зонд в клетку и позвольте двухцепочечной ДНК преобразоваться. Флуоресцентный зонд будет связываться с хромосомой на участке гена, к которому ДНК комплементарна, как показано ниже.

Пример комплекса ДНК-РНК показан ниже.

Последовательность ДНК каждого человека должна отличаться от последовательности ДНК любого другого человека в мире (за исключением однояйцевых близнецов). Разница должна быть меньше, чем разница между человеком и шимпанзе, которые идентичны на 98,5%. Предположим, что каждая из них имеет последовательности ДНК, которые на 99,9% идентичны по сравнению с некоторыми «нормальными людьми». Учитывая, что у нас около 4 3 миллиардов пар оснований ДНК, это означает, что все мы разные примерно в 0,001 х 3 000 000 000, что составляет примерно 3 миллиона различных пар оснований. Это означает, что в среднем у нас есть одно нуклеотидное различие на каждые 1000 пар оснований ДНК. Некоторые из них находятся в генах, но большинство, вероятно, находится между ДНК, и было показано, что многие из них сгруппированы в областях с очень повторяющимися последовательностями ДНК на концах хромосом (называемых телеомерами) и в середине (называемыми центромерами).

Теперь помните, что это сайты рестрикционных ферментов, также случайным образом разбросанные по ДНК. Если некоторые различия в ДНК между людьми возникают в последовательностях, где ДНК расщепляется рестрикционными ферментами, то у некоторых людей конкретный фермент расщепляется не на обычном участке, а на более удаленном участке. Следовательно, размер фрагментов рестрикционного фермента должен различаться для каждого человека. ДНК каждого человека, разрезанная батареей рестрикционных ферментов, должна давать уникальный набор фрагментов ДНК размеров, уникальных для этого человека. ДНК каждого человека имеет уникальный полиморфизм длины рестрикционного фрагмента (RFLP). Как можно было обнаружить такой полиморфизм?

Вы уже знаете, как разрезать образец ДНК с помощью рестрикционных ферментов, а затем разделять фрагменты на агарозном геле. Однако требуется дополнительный этап, поскольку на геле могут появиться тысячи фрагментов, которые будут наблюдаться как один большой сплошной мазок. Если, однако, каждый фрагмент можно было бы прореагировать с набором небольших меченых ДНК-зондов, которые комплементарны определенным высокополиморфным участкам ДНК (например, телеомерной ДНК), а затем визуализировать, то в агарозном геле можно было бы наблюдать только несколько наборов дискретных полос. . Эти дискретные полосы будут отличаться от полос ДНК, наблюдаемых в гене другого человека, обработанном таким же образом. Этот метод называется саузерн-блоттингом и работает, как показано ниже. Фрагменты ДНК подвергают электрофорезу в агарозном геле. Фрагменты ds ДНК разматывают нагреванием, а затем поверх геля помещают кусок нитроцеллюлозной фильтровальной бумаги. ДНК из геля переходит на фильтровальную бумагу. Затем на бумагу добавляется небольшой радиоактивный олигонуклеотидный зонд, комплементарный полиморфному сайту ДНК. Он связывается только с фрагментом, содержащим ДНК, комплементарную зонду. Фильтровальную бумагу сушат, и поверх листа помещают кусок рентгеновской пленки. Также нанесенный на гель и перенесенный на лист набор радиоактивных фрагментов (которые не являются комплементарными для зонда), служат в качестве набора маркеров, чтобы гарантировать, что электрофорез геля и перенос на фильтровальную бумагу были правильными. Этот метод показан на следующей странице вместе с анализом RFLP для конкретной семьи.

Когда этот метод используется в судебных делах (таких как суд над О. Дж. Симпсоном) или в делах об установлении отцовства, он называется дактилоскопией ДНК. Используя существующие методы, следователи могут однозначно заявить, что вероятность того, что конкретный образец не принадлежит подозреваемому, находится в диапазоне от одного миллиона к одному. Рентгеновский снимок, показанный ниже, является копией реальных судебно-медицинских доказательств, полученных по делу об изнасиловании. Показаны результаты Саузерн-блоттинга подозреваемого 1, подозреваемого 2, жертвы и судебно-медицинские доказательства. Проанализируйте данные.

SNP - это отдельные основания в ДНК, которые различаются по крайней мере у 1% населения. Они встречаются примерно каждые 1250 баз. Недавняя работа показывает, что они в основном находятся в небелковых областях генома (в областях ДНК между генами и в интронах). Вентер показал, что «более 99% человеческих SNP не связаны с биологией. Только 2000 SNP изменяют аминокислотную последовательность регуляторного сайта. Это несколько тысяч из 2-3 миллионов SNP, каталогизированных на данный момент ». Если они встречаются в гене, они могут не привести к изменению аминокислотной последовательности полученного белка. (Пример: оба CCA в мРНК CCG дают аминокислоту Pro в белке). Все новые анализы ДНК предполагают, что Homo Sapiens возник из одного общего предка в Африке около 200000 лет назад, а люди мигрировали из Африки около 125000 лет назад. Наблюдаемая разница в людях появилась совсем недавно. Фактически не существует генетически чистого населения (в отличие от арианской мифологии). .


Что такое хроматида?

Хроматида - одна из двух похожих копий ДНК, составляющих одну хромосому. Одна хромосома имеет две хроматиды, соединенные центромерой. Во время деления клеток (мейоза и митоза) они отделяются друг от друга и затем называются сестринскими хроматидами, поскольку идентичны друг другу.

Рисунок 02: Хроматида и хромосома

Чтобы быть более конкретным, хромосома похожа на структуру X-образной формы, если смотреть под микроскопом. Разделите X пополам, и получатся две идентичные части & gt и & lt. Одиночный & gt или & lt - это то, что вы называете хроматидой. Центральная точка контакта - центромера, а вся X - хромосома.


А1. Структура ДНК

ДНК может существовать в одноцепочечной, двухцепочечной или смешанной форме. На самом деле неправильно называть дцДНК молекулой, поскольку на самом деле она состоит из двух разных комплементарных цепей, удерживаемых вместе IMF. Однако большинство людей говорят о молекуле дцДНК, и я тоже. По аналогии со структурой белка дцДНК имеет линейную последовательность (первичная структура), вторичная структура (правая двойная спираль) и третичную / четвертичную структуру (складчатая структура). и упакован в ячейку).

Альтернативные структуры ДНК

По ссылкам выше показана классическая спираль дцДНК, в которой ДНК находится в форме B. Существуют и другие формы ДНК, включая A-ДНК и Z-ДНК. Одноцепочечные участки ДНК могут за счет внутримолекулярного спаривания оснований образовывать шпильковые структуры «стебель-петля» и квадруплексные структуры (обнаруживаемые на концах хромосом (теломер).


Организация последовательности обнаруживалась при нагревании ДНК до одноцепочечного состояния, а затем повторном отжиге ДНК путем охлаждения.
Это выявило несколько типов повторяющейся ДНК.
Множественные «копии» подобных функциональных повторяющихся последовательностей можно описать как рассредоточенные генные семейства (глобиновые гены, актины, тубулины).
Нефункциональные копии генов известны как псевдогены.
Массивы тандемных семейств генов состоят из нескольких копий одного и того же гена, расположенных рядом друг с другом (например, гистонов).
Ядрышковый организатор, который является цитологически отличным, представляет собой тандемный массив генов, кодирующих рибосомную РНК.
Некодирующие функциональные последовательности, такие как короткие тандемные повторы, которые поддерживают теломеры на концах линейной хромосомы.

Существует ряд последовательностей, функция которых неизвестна, включая
1) Высокоповторяющаяся центромерная ДНК, включая сателлитную ДНК.
2) Тандемные повторы с переменным числом (VNTR) или минисателлитная ДНК, которые обеспечивают различия в ДНК, используемой для снятия отпечатков пальцев ДНК.
3) Микросателлиты, участки динуклеотидных повторов

Транспонированные последовательности - это «прыгающие гены», рассредоточенные по всему геному.
Транспозоны перемещаются вместе с элементами ДНК, а ретротранспозоны перемещаются через промежуточную РНК, которая обратно транскрибируется и повторно вводится в геном.
Примеры ретротранспозонов включают в себя длинные вкрапленные элементы от 1 до 5 килобаз (LINES) и гораздо меньшие (> 200 пар оснований) короткие вкрапленные элементы (SINES).
Такие как последовательности Alu человека.
Присутствие этих различных элементов обеспечивает большое разнообразие расстояний и местоположений генов в геномах организмов.


11.1 Структура и функция дезоксирибонуклеиновой кислоты

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - это молекула, состоящая из двух цепей, которые обвиваются вокруг друг друга, образуя двойную спираль, несущую генетические инструкции для развития, функционирования, роста и размножения всех известных организмов и многих вирусов. ДНК и рибонуклеиновая кислота (РНК) являются нуклеиновыми кислотами наряду с белками, липидами и сложными углеводами (полисахаридами), нуклеиновые кислоты являются одним из четырех основных типов макромолекул, которые необходимы для всех известных форм жизни.

Рисунок 11.2: Структура двойной спирали ДНК. Участок ДНК. Основания лежат горизонтально между двумя спиралевидными прядями. Атомы в структуре имеют цветовую кодировку по элементам (на основе атомных координат PDB 1bna, визуализированных с помощью инструмента молекулярной визуализации с открытым исходным кодом PyMol.)

Две цепи ДНК также известны как полинуклеотиды, поскольку они состоят из более простых мономерных единиц, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из одного из четырех азотсодержащих азотистых оснований (цитозин [C], гуанин [G], аденин [A] или тимин [T]), сахара, называемого дезоксирибозой, и фосфатной группы. Нуклеотиды соединены друг с другом в цепь ковалентными связями между сахаром одного нуклеотида и фосфатом следующего, в результате чего образуется чередующийся сахар-фосфатный остов. Азотистые основания двух отдельных полинуклеотидных цепей связаны вместе в соответствии с правилами спаривания оснований (A с T и C с G) водородными связями для образования двухцепочечной ДНК. Дополнительные азотистые основания делятся на две группы: пиримидины и пурины. В ДНК пиримидины - это тимин и цитозин, пурины - это аденин и гуанин.

Рисунок 11.3: Структура четырех нуклеотидов и их спаривание оснований в двойной спирали ДНК. Атомы в структуре имеют цветовую кодировку по элементам (на основе атомных координат PDB 1bna, визуализированных с помощью инструмента молекулярной визуализации с открытым исходным кодом PyMol.)

Обе цепи ДНК хранят биологическую информацию. Эта информация воспроизводится по мере разделения двух цепей. Большая часть ДНК (более 98% для человека) не кодирует, что означает, что эти участки не служат образцами для белковых последовательностей. Две цепи ДНК идут в противоположных направлениях друг к другу и, таким образом, антипараллельны.К каждому сахару присоединен один из четырех типов азотистых оснований (неформально, оснований). Именно последовательность этих четырех азотистых оснований вдоль остова кодирует генетическую информацию. Нити РНК создаются с использованием цепей ДНК в качестве матрицы в процессе, называемом транскрипцией, где основания ДНК заменяются соответствующими основаниями, за исключением случая тимина (T), который РНК заменяет урацил (U). В соответствии с генетическим кодом эти цепи РНК определяют последовательность аминокислот в белках в процессе, называемом трансляцией.

Внутри эукариотических клеток ДНК организована в длинные структуры, называемые хромосомами. Перед типичным делением клетки эти хромосомы дублируются в процессе репликации ДНК, обеспечивая полный набор хромосом для каждой дочерней клетки. Эукариотические организмы (животные, растения, грибы и простейшие) хранят большую часть своей ДНК в ядре клетки в виде ядерной ДНК, а некоторые - в митохондриях в виде митохондриальной ДНК или в хлоропластах в виде хлоропластной ДНК. Напротив, прокариоты (бактерии и археи) хранят свою ДНК только в цитоплазме, в кольцевых хромосомах. В хромосомах эукариот белки хроматина, такие как гистоны, уплотняют и организуют ДНК. Эти уплотняющие структуры направляют взаимодействия между ДНК и другими белками, помогая контролировать, какие части ДНК транскрибируются.

ДНК была впервые выделена Фридрихом Мишером в 1869 году. Ее молекулярная структура была впервые идентифицирована Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в 1953 году, чьи усилия по построению моделей основывались на данных дифракции рентгеновских лучей, полученных Раймондом. Гослинг, который был аспирантом Розалинды Франклин.

ДНК - это длинный полимер, состоящий из повторяющихся звеньев, называемых нуклеотидами, каждая из которых обычно обозначается одной буквой: A, T, C или G. Структура ДНК динамична по своей длине и может скручиваться в плотные петли. и другие формы. У всех видов он состоит из двух спиральных цепей, связанных друг с другом водородными связями. Обе цепи намотаны вокруг одной оси и имеют одинаковый шаг 34 ангстрем (Å) (3,4 нанометра). Пара цепочек имеет радиус 10 ангстрем (1,0 нанометр). Хотя каждый отдельный нуклеотид очень мал, полимер ДНК может быть очень большим и содержать сотни миллионов, например, в хромосоме 1. Хромосома 1 является самой большой хромосомой человека с приблизительно 220 миллионами пар оснований и будет иметь длину 85 мм, если ее выпрямить.

ДНК обычно существует не в виде одной нити, а в виде пары нитей, которые крепко скреплены друг с другом. Эти две длинные нити наматываются друг на друга в форме двойной спирали. Нуклеотид содержит как сегмент основной цепи молекулы (который удерживает цепь вместе), так и азотистое основание (которое взаимодействует с другой цепью ДНК в спирали). Основание, связанное с сахаром, называется нуклеозидом, а основание, связанное с сахаром и одной или несколькими фосфатными группами, называется нуклеотидом. Биополимер, содержащий несколько связанных нуклеотидов (как в ДНК), называется полинуклеотидом.

Основа цепи ДНК состоит из чередующихся остатков фосфата и сахара. Сахар в ДНК - это 2-дезоксирибоза, которая представляет собой пентозный (пятиуглеродный) сахар. Сахара соединены вместе фосфатными группами, которые образуют фосфодиэфирные связи между третьим и пятым атомами углерода соседних сахарных колец. Они известны как 3'-концевые (три основных конца) и 5'-концевые (пять простых концов) атомы углерода, причем основной символ используется для отличия этих атомов углерода от атомов основания, с которым дезоксирибоза образует гликозидную связь. . При представлении ДНК каждый фосфорил обычно считается «принадлежащим» нуклеотиду, 5'-углерод которого образует с ним связь. Следовательно, любая цепь ДНК обычно имеет один конец, на котором есть фосфорил, присоединенный к 5'-углеродному атому рибозы (5'-фосфорил), и другой конец, на котором есть свободный гидроксил, присоединенный к 3'-углеродному атому рибозы ( 3 'гидроксил). Ориентация 3 'и 5' атомов углерода вдоль сахарофосфатного остова придает направленность (иногда называемую полярностью) каждой цепи ДНК. В двойной спирали нуклеиновой кислоты направление нуклеотидов в одной цепи противоположно их направлению в другой цепи: цепи антипараллельны. Говорят, что асимметричные концы нитей ДНК имеют направленность пяти основных концов (5 ') и трех основных концов (3'), причем 5 'конец имеет концевую фосфатную группу, а 3' конец - концевую гидроксильную группу. Одно из основных различий между ДНК и РНК - это сахар, при этом 2-дезоксирибоза в ДНК заменяется альтернативным пентозным сахаром рибозой в РНК.

Двойные спиральные нити образуют основу ДНК. Еще одна двойная спираль может быть обнаружена в промежутках или канавках между нитями (рис. 11.4). Эти пустоты соседствуют с парами оснований и могут обеспечивать сайт связывания. Поскольку пряди не расположены симметрично относительно друг друга, канавки имеют неодинаковый размер. Одна канавка, большая канавка, имеет ширину 22 ангстрем (Å), а другая, малая канавка, имеет ширину 12 Å. Ширина большой канавки означает, что края оснований более доступны в большой канавке, чем в малой канавке. В результате белки, такие как факторы транскрипции, которые могут связываться с конкретными последовательностями в двухцепочечной ДНК, обычно контактируют со сторонами оснований, выставленных в большой бороздке.

Рисунок 11.4: Большая и малая бороздки ДНК. PDB 1bna визуализирован с помощью инструмента молекулярной визуализации с открытым исходным кодом PyMol.)

В двойной спирали ДНК каждый тип азотистых оснований на одной цепи связывается только с одним типом азотистых оснований на другой цепи. Это называется дополнительным спариванием оснований. Здесь пурины образуют водородные связи с пиримидинами, причем аденин связывается только с тимином двумя водородными связями, а цитозин связывается только с гуанином в трех водородных связях (рис. 11.5). Такое расположение двух нуклеотидов, связывающихся вместе через двойную спираль, называется парой оснований Уотсона-Крика. Поскольку водородные связи не являются ковалентными, их можно относительно легко разорвать и воссоединить. Таким образом, две нити ДНК в двойной спирали могут быть разорваны, как застежка-молния, под действием механической силы или высокой температуры. В результате такой комплементарности пар оснований вся информация в двухцепочечной последовательности спирали ДНК дублируется на каждой цепи, что жизненно важно для репликации ДНК. Это обратимое и специфическое взаимодействие между комплементарными парами оснований имеет решающее значение для всех функций ДНК в организмах.

Рисунок 11.5: Вверху, пара оснований GC с тремя водородными связями. Внизу, пара оснований AT с двумя водородными связями. Нековалентные водородные связи между парами показаны пунктирными линиями. Два типа пар оснований образуют разное количество водородных связей, AT образует две водородные связи, а GC - три водородные связи (см. Рисунки справа). ДНК с высоким содержанием GC более стабильна, чем ДНК с низким содержанием GC.

Как отмечалось выше, большинство молекул ДНК на самом деле представляют собой две полимерные нити, связанные друг с другом по спирали нековалентными связями. Эта двухцепочечная (дцДНК) структура поддерживается в основном за счет взаимодействий при укладке оснований внутри цепей, которые наиболее сильны для стопок G, C. Две цепи могут разделиться - процесс, известный как плавление, - с образованием двух молекул одноцепочечной ДНК (оцДНК). Плавление происходит при высокой температуре, низкой соли и высоком pH (низкий pH также плавит ДНК, но поскольку ДНК нестабильна из-за кислотной депуринизации, низкий pH используется редко).

Стабильность формы дцДНК зависит не только от содержания GC (% пар оснований G, C), но также от последовательности (поскольку стэкинг зависит от последовательности), а также длины (более длинные молекулы более стабильны). Стабильность можно измерить различными способами, обычно это «температура плавления», то есть температура, при которой 50% молекул ds превращаются в молекулы ss. Температура плавления зависит от ионной силы и концентрации ДНК. В результате как процент пар оснований GC, так и общая длина двойной спирали ДНК определяют силу ассоциации между двумя цепями ДНК. Длинные спирали ДНК с высоким содержанием GC имеют более сильно взаимодействующие цепи, в то время как короткие спирали с высоким содержанием AT имеют более слабые взаимодействующие цепи. В биологии части двойной спирали ДНК, которые должны легко разделяться, такие как коробка TATAAT Pribnow в некоторых промоторах, как правило, имеют высокое содержание AT, что облегчает разделение цепей.

В лаборатории силу этого взаимодействия можно измерить, найдя температуру, необходимую для разрыва водородных связей, их температуру плавления (также называемую Tм ценить). Когда все пары оснований в двойной спирали ДНК плавятся, нити разделяются и существуют в растворе как две полностью независимые молекулы. Эти одноцепочечные молекулы ДНК не имеют единой общей формы, но некоторые конформации более стабильны, чем другие.

Последовательность ДНК называется «смысловой», если она такая же, как у копии информационной РНК, которая транслируется в белок. Последовательность на противоположной цепи называется «антисмысловой» последовательностью. Как смысловые, так и антисмысловые последовательности могут существовать в разных частях одной и той же цепи ДНК (т.е. обе цепи могут содержать как смысловые, так и антисмысловые последовательности). Как у прокариот, так и у эукариот продуцируются антисмысловые последовательности РНК, но функции этих РНК не совсем ясны. Одно из предположений состоит в том, что антисмысловые РНК участвуют в регуляции экспрессии генов посредством спаривания оснований РНК-РНК.

Несколько последовательностей ДНК в прокариотах и ​​эукариотах и ​​больше в плазмидах и вирусах стирают различие между смысловыми и антисмысловыми цепями из-за перекрывающихся генов. В этих случаях некоторые последовательности ДНК выполняют двойную функцию, кодируя один белок при считывании вдоль одной цепи и второй белок при считывании в противоположном направлении вдоль другой цепи. У бактерий это перекрытие может участвовать в регуляции транскрипции генов, тогда как у вирусов перекрывающиеся гены увеличивают количество информации, которая может быть закодирована в небольшом вирусном геноме.

ДНК можно скрутить, как веревку, в процессе, называемом суперспирализацией ДНК. Когда ДНК находится в «расслабленном» состоянии, нить обычно окружает ось двойной спирали каждые 10,4 пары оснований, но если ДНК скручена, нити становятся более плотными или более свободными. Если ДНК скручена в направлении спирали, это положительная суперспирализация, и основания удерживаются вместе более плотно. Если они скручены в противоположном направлении, это отрицательная сверхспирализация, и основания легче распадаются. В природе большая часть ДНК имеет небольшую отрицательную суперспирализацию, которая создается ферментами, называемыми топоизомеразами. Эти ферменты также необходимы для снятия скручивающих напряжений, возникающих в цепях ДНК во время таких процессов, как транскрипция и репликация ДНК.

На экспрессию генов влияет то, как ДНК упакована в хромосомах в структуру, называемую хроматином. Модификации оснований могут быть вовлечены в упаковку с участками, которые имеют низкую экспрессию генов или не имеют ее вообще, обычно содержат высокие уровни метилирования цитозиновых оснований. Упаковка ДНК и ее влияние на экспрессию генов также может происходить путем ковалентных модификаций ядра гистонового белка, вокруг которого ДНК обернута в структуре хроматина, или путем ремоделирования, осуществляемого комплексами ремоделирования хроматина. Кроме того, существует перекрестное взаимодействие между метилированием ДНК и модификацией гистонов, поэтому они могут координированно влиять на экспрессию хроматина и генов.

Например, метилирование цитозина производит 5-метилцитозин, который важен для X-инактивации хромосом. Средний уровень метилирования варьируется между организмами - червь Caenorhabditis elegans отсутствует метилирование цитозина, в то время как позвоночные имеют более высокие уровни, причем до 1% их ДНК содержит 5-метилцитозин. Несмотря на важность 5-метилцитозина, он может дезаминировать, оставляя тиминовое основание, поэтому метилированные цитозины особенно подвержены мутациям. Другие модификации оснований включают метилирование аденина в бактериях, присутствие 5-гидроксиметилцитозина в головном мозге и гликозилирование урацила с образованием «J-основания» в кинетопластидах.

11.1.1 Повреждение ДНК

ДНК может быть повреждена различными мутагенами, которые изменяют последовательность ДНК. Мутагены включают окислители, алкилирующие агенты, а также высокоэнергетическое электромагнитное излучение, такое как ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи. Тип производимого повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, ультрафиолетовый свет может повредить ДНК, образуя димеры тимина, которые являются поперечными связями между пиримидиновыми основаниями. С другой стороны, окислители, такие как свободные радикалы или перекись водорода, вызывают множественные формы повреждений, включая модификации оснований, особенно гуанозина, и двухцепочечные разрывы. Типичная клетка человека содержит около 150 000 оснований, поврежденных окислением. Из этих окислительных повреждений наиболее опасными являются двухцепочечные разрывы, поскольку они трудно поддаются восстановлению и могут вызывать точечные мутации, вставки, делеции в последовательности ДНК и хромосомные транслокации. Эти мутации могут вызвать рак. Повреждение ДНК, которое происходит в природе, из-за нормальных клеточных процессов, которые производят активные формы кислорода, гидролитической активности клеточной воды и т. Д., Также часто происходит. Хотя большая часть этих повреждений восстанавливается, в любой клетке могут оставаться некоторые повреждения ДНК, несмотря на действие процессов восстановления. Это повреждение ДНК накапливается с возрастом в постмитотических тканях млекопитающих. Это накопление, по-видимому, является важной первопричиной старения.

Многие мутагены помещаются в пространство между двумя соседними парами оснований, это называется интеркаляцией. Большинство интеркаляторов представляют собой ароматические и плоские молекулы, примеры которых включают бромид этидия, акридины, дауномицин и доксорубицин. Чтобы интеркалятор поместился между парами оснований, основания должны разделиться, искажая цепи ДНК за счет раскручивания двойной спирали. Это подавляет как транскрипцию, так и репликацию ДНК, вызывая токсичность и мутации. В результате интеркаляторы ДНК могут быть канцерогенами, а в случае талидомида - тератогеном. Другие, такие как эпоксид бензо [a] пирендиола и афлатоксин, образуют аддукты ДНК, которые вызывают ошибки в репликации. Тем не менее, из-за их способности ингибировать транскрипцию и репликацию ДНК, другие аналогичные токсины также используются в химиотерапии для подавления быстрорастущих раковых клеток.

ДНК обычно встречается в виде линейных хромосом у эукариот и кольцевых хромосом у прокариот. Набор хромосом в клетке составляет ее геном. Геном человека содержит приблизительно 3 миллиарда пар оснований ДНК, организованных в 46 хромосом. Передача генетической информации в генах достигается за счет комплементарного спаривания оснований. Например, при транскрипции последовательность ДНК копируется в комплементарную последовательность РНК. Обычно эта копия РНК затем используется для создания соответствующей белковой последовательности в процессе, называемом трансляцией. Альтернативно клетка может просто копировать свою генетическую информацию в процессе, называемом репликацией ДНК.

11.1.2 Гены и геномы

Геномная ДНК плотно и упорядоченно упаковывается в процессе, называемом конденсацией ДНК, чтобы соответствовать небольшим доступным объемам клетки. У эукариот ДНК расположена в ядре клетки, а небольшие количества - в митохондриях и хлоропластах. У прокариот ДНК содержится в теле неправильной формы в цитоплазме, называемом нуклеоидом.

У многих видов только небольшая часть общей последовательности генома кодирует белок. Например, только около 1,5% генома человека состоит из экзонов, кодирующих белок, при этом более 50% ДНК человека состоит из некодирующих повторяющихся последовательностей. Причины наличия такого большого количества некодирующей ДНК в геномах эукариот и необычайные различия в размере генома или C-значении между видами представляют собой давнюю загадку, известную как «загадка C-ценности». Однако некоторые последовательности ДНК, которые не кодируют белок, могут все же кодировать функциональные некодирующие молекулы РНК, которые участвуют в регуляции экспрессии генов.

Некоторые некодирующие последовательности ДНК играют структурные роли в хромосомах. Теломеры и центромеры обычно содержат мало генов, но они важны для функции и стабильности хромосом. Распространенной формой некодирующей ДНК у людей являются псевдогены, которые представляют собой копии генов, которые были отключены в результате мутации. Эти последовательности обычно представляют собой просто молекулярные окаменелости, хотя иногда они могут служить сырым генетическим материалом для создания новых генов в процессе их дупликации и дивергенции.

11.1.3 Транскрипция и перевод

Ген - это последовательность ДНК, которая содержит генетическую информацию и может влиять на фенотип организма. Внутри гена последовательность оснований вдоль цепи ДНК определяет последовательность информационной РНК, которая затем определяет одну или несколько белковых последовательностей. Взаимосвязь между нуклеотидными последовательностями генов и аминокислотными последовательностями белков определяется правилами трансляции, известными вместе как генетический код. Генетический код состоит из трехбуквенных «слов», называемых кодонами, образованных из последовательности из трех нуклеотидов (например, ACT, CAG, TTT).

При транскрипции кодоны гена копируются в информационную РНК с помощью РНК-полимеразы. Эта копия РНК затем декодируется рибосомой, которая считывает последовательность РНК путем спаривания оснований информационной РНК для переноса РНК, которая несет аминокислоты. Поскольку имеется 4 основания в трехбуквенных комбинациях, существует 64 возможных кодона. Они кодируют двадцать стандартных аминокислот, давая большинству аминокислот более одного возможного кодона. Есть также три «стоповых» или «бессмысленных» кодона, обозначающих конец кодирующей области, это кодоны TAA, TGA и TAG.

11.1.4 Репликация ДНК

Деление клетки необходимо для роста организма, но когда клетка делится, она должна реплицировать ДНК в своем геноме, чтобы две дочерние клетки имели ту же генетическую информацию, что и их родительские. Двухцепочечная структура ДНК обеспечивает простой механизм репликации ДНК. Здесь две цепи разделяются, а затем комплементарная последовательность ДНК каждой цепи воссоздается с помощью фермента, называемого ДНК-полимеразой. Этот фермент создает комплементарную цепь, находя правильное основание путем спаривания комплементарных оснований и прикрепляя его к исходной цепи. Поскольку ДНК-полимеразы могут удлинять цепь ДНК только в направлении от 5 'до 3', используются различные механизмы для копирования антипараллельных цепей двойной спирали. Таким образом, основание на старой нити определяет, какое основание появится на новой нити, и в итоге клетка получит идеальную копию своей ДНК.

В молекулярной биологии репликация ДНК - это биологический процесс создания двух идентичных копий ДНК из одной исходной молекулы ДНК. Репликация ДНК происходит во всех живых организмах, выступая в качестве основы для биологического наследования.

ДНК состоит из двойной спирали двух комплементарных цепей. Во время репликации эти нити разделяются. Каждая цепь исходной молекулы ДНК затем служит шаблоном для производства своего аналога, процесс, называемый полуконсервативной репликацией.В результате полуконсервативной репликации новая спираль будет состоять из исходной цепи ДНК, а также вновь синтезированной цепи. Механизмы клеточной корректуры и проверки ошибок обеспечивают почти идеальную точность репликации ДНК.

В клетке репликация ДНК начинается в определенных местах или источниках репликации в геноме. Раскручивание ДНК в исходной точке и синтез новых цепей под действием фермента, известного как геликаза, приводит к тому, что репликационные вилки растут в двух направлениях от источника. Ряд белков связан с вилкой репликации, чтобы помочь в инициации и продолжении синтеза ДНК. Наиболее заметно, что ДНК-полимераза синтезирует новые цепи, добавляя нуклеотиды, которые дополняют каждую (матричную) цепь. Репликация ДНК происходит во время S-стадии интерфазы.

Репликация ДНК (амплификация ДНК) также может выполняться in vitro (искусственно вне клетки). ДНК-полимеразы, выделенные из клеток, и искусственные праймеры ДНК могут использоваться для запуска синтеза ДНК в известных последовательностях в матричной молекуле ДНК. Примерами являются полимеразная цепная реакция (ПЦР), лигазная цепная реакция (LCR) и транскрипционная амплификация (ТМА).

Реплисома - это сложная молекулярная машина, которая выполняет репликацию ДНК. Реплисома сначала раскручивает двухцепочечную ДНК на две одноцепочечные. Для каждой из полученных одиночных цепей синтезируется новая комплементарная последовательность ДНК. Конечный результат - образование двух новых двухцепочечных последовательностей ДНК, которые являются точными копиями исходной двухцепочечной последовательности ДНК.

С точки зрения структуры реплисома состоит из двух репликативных полимеразных комплексов, один из которых синтезирует ведущую цепь, а другой - отстающую. Реплисома состоит из ряда белков, включая геликазу, RFC, PCNA, гиразу / топоизомеразу, SSB / RPA, примазу, ДНК-полимеразу III, РНКазу H и лигазу.

Для прокариот каждый делящийся нуклеоид (область, содержащая генетический материал, не являющийся ядром) требует двух реплисом для двунаправленной репликации. Две реплисомы продолжают репликацию на обеих вилках в середине клетки. Наконец, когда сайт терминации реплицируется, две реплисомы отделяются от ДНК. Реплисома остается в фиксированном месте в середине клетки, прикрепляется к мембране, и матричная ДНК пронизывает ее. ДНК подается через неподвижную пару реплисом, расположенных на клеточной мембране.

У эукариот многочисленные репликационные пузыри образуются в начале репликации по всей хромосоме. Как и в случае с прокариотами, требуются две реплисомы, по одной на каждой вилке репликации, расположенной на конце пузыря репликации. Из-за значительных различий в размере хромосом и связанных с этим сложностей высококонденсированных хромосом различные аспекты процесса репликации ДНК у эукариот, включая терминальные фазы, менее хорошо изучены, чем у прокариот.

Реплисома отвечает за копирование всей геномной ДНК в каждой пролиферативной клетке. Этот процесс позволяет с высокой точностью передавать наследственную / генетическую информацию от родительской клетки к дочерней клетке и, таким образом, необходим для всех организмов. Большая часть клеточного цикла построена на том, чтобы репликация ДНК происходила без ошибок.

В фазе G1 клеточного цикла запускаются многие процессы регуляции репликации ДНК. У эукариот большая часть синтеза ДНК происходит во время S-фазы клеточного цикла, и весь геном должен быть размотан и продублирован для образования двух дочерних копий. Во время G2 исправляются любые поврежденные ДНК или ошибки репликации. Наконец, одна копия генома отделяется от каждой дочерней клетки в митозе или М-фазе. Каждая из этих дочерних копий содержит одну цепь родительской дуплексной ДНК и одну возникающую антипараллельную цепь.

11.1.5 Репликация эукариотической ДНК

Репликация эукариотической ДНК - это консервативный механизм, ограничивающий репликацию ДНК до одного раза за клеточный цикл. Репликация хромосомной ДНК эукариотической ДНК является центральной для дублирования клетки и необходима для поддержания эукариотического генома.

Репликация ДНК - это действие ДНК-полимераз, синтезирующих цепь ДНК, комплементарную исходной цепи матрицы. Для синтеза ДНК двухцепочечная ДНК разматывается ДНК-геликазами перед полимеразами, образуя репликационную вилку, содержащую две одноцепочечные матрицы. Процессы репликации позволяют копировать одну двойную спираль ДНК в две спирали ДНК, которые при митозе разделяются на дочерние клетки. Основные ферментативные функции, выполняемые на репликационной вилке, хорошо сохраняются от прокариот до эукариот, но репликационный аппарат в репликации эукариотической ДНК представляет собой гораздо больший комплекс, координирующий многие белки в месте репликации, формируя реплисому.

После того, как репликативная геликаза размотала дуплекс родительской ДНК, открыв две одноцепочечные ДНК-матрицы, необходимы репликативные полимеразы для создания двух копий родительского генома. Функция ДНК-полимеразы является узкоспециализированной и выполняет репликацию на определенных шаблонах и в узких локализациях. В вилке репликации эукариот есть три различных репликативных полимеразных комплекса, которые вносят вклад в репликацию ДНК: полимераза α, полимераза δ и полимераза ε. Эти три полимеразы необходимы для жизнеспособности клетки.

Поскольку ДНК-полимеразам требуется праймер для начала синтеза ДНК, полимераза α (Pol α) действует как репликативная примаза. Pol α связан с РНК-примазой, и этот комплекс выполняет задачу праймирования путем синтеза праймера, который содержит короткий 10-нуклеотидный участок РНК, за которым следуют от 10 до 20 оснований ДНК. Важно отметить, что это прайминговое действие происходит при инициации репликации в ориджинах, чтобы начать синтез ведущей цепи, а также на 5’-конце каждого фрагмента Окадзаки на отстающей цепи.

Однако Pol α не может продолжать репликацию ДНК и должен быть заменен другой полимеразой для продолжения синтеза ДНК. Для переключения полимеразы требуются фиксаторы-загрузчики, и было доказано, что нормальная репликация ДНК требует скоординированных действий всех трех ДНК-полимераз: Pol α для праймингового синтеза, Pol ε для репликации ведущей цепи и Pol δ, который постоянно загружается, для генерации Фрагменты Окадзаки во время синтеза отстающей цепи.

  • Полимераза α (Pol α): образует комплекс с малой каталитической субъединицей (PriS) и большой некаталитической (PriL) субъединицей. Во-первых, синтез праймера РНК позволяет синтезировать ДНК ДНК-полимеразой альфа. Происходит один раз в начале на ведущей нити и в начале каждого фрагмента Окадзаки на отстающей нити. Субъединицы Pri действуют как примаза, синтезируя праймер РНК. ДНК Pol α удлиняет вновь образованный праймер с нуклеотидами ДНК. Примерно через 20 нуклеотидов удлинение передается Pol ε на ведущей цепи и Pol δ на отстающей цепи.
  • Полимераза δ (Pol δ): высокопроизводительная и имеет корректирующую, 3 ’- & gt5’ экзонуклеазную активность. In vivo это основная полимераза, участвующая в синтезе как отстающей, так и ведущей цепи.
  • Полимераза ε (Pol ε): высокая процессивность и корректирующая активность экзонуклеазы 3 ’- & gt5’. В значительной степени связанный с pol δ, in vivo он функционирует в основном для проверки ошибок pol δ.

Репликация ДНК, как и все процессы биологической полимеризации, протекает в три ферментативно катализируемых и скоординированных этапа: инициация, удлинение и завершение.

11.1.6 Инициирование

Чтобы клетка могла делиться, она должна сначала воспроизвести свою ДНК. Репликация ДНК - это комплексный процесс, когда репликация начинается, она продолжается до завершения. После завершения репликации она больше не повторяется в том же клеточном цикле. Это стало возможным благодаря разделению инициации на две отдельные во времени стадии: образование пре-репликационного комплекса и преинициативного комплекса.

11.1.7 Пререпликационный комплекс

В позднем митозе и ранней фазе G1 большой комплекс белков-инициаторов собирается в пререпликационный комплекс в определенных точках ДНК, известных как «источники». В Кишечная палочка первичный инициаторный белок - это ДНК дрожжей, это комплекс распознавания происхождения. Последовательности, используемые белками-инициаторами, имеют тенденцию быть «AT-богатыми» (богатыми основаниями аденина и тимина), потому что пары оснований A-T имеют две водородные связи (а не три, образованные в паре C-G), и поэтому их легче разделить на цепи. У эукариот комплекс распознавания ориджина катализирует сборку белков-инициаторов в пререпликационный комплекс. Cdc6 и Cdt1 затем связываются со связанным комплексом распознавания источника в источнике, чтобы сформировать более крупный комплекс, необходимый для загрузки комплекса Mcm на ДНК. Комплекс Mcm - это геликаза, которая распутывает спираль ДНК в точках начала репликации и вилках репликации у эукариот. Комплекс Mcm рекрутируется на поздней фазе G1 и загружается комплексом ORC-Cdc6-Cdt1 на ДНК посредством АТФ-зависимого ремоделирования белка. Загрузка комплекса Mcm на исходную ДНК знаменует завершение образования пререпликационного комплекса.

Если условия окружающей среды подходящие в конце фазы G1, комплексы G1 и G1 / S циклин-Cdk активируются, что стимулирует экспрессию генов, кодирующих компоненты аппарата синтеза ДНК. Активация G1 / S-Cdk также способствует экспрессии и активации комплексов S-Cdk, которые могут играть роль в активации источников репликации в зависимости от вида и типа клеток. Контроль этих Cdk варьируется в зависимости от типа клетки и стадии развития.

Сходным образом Cdc7 также требуется через S-фазу для активации источников репликации. Cdc7 не активен на протяжении клеточного цикла, и его активация строго рассчитана по времени, чтобы избежать преждевременного инициирования репликации ДНК. В конце G1 активность Cdc7 резко возрастает в результате ассоциации с регуляторной субъединицей Dbf4, которая напрямую связывается с Cdc7 и способствует его протеинкиназной активности. Было обнаружено, что Cdc7 является ограничивающим скорость регулятором активности происхождения. Вместе G1 / S-Cdks и / или S-Cdks и Cdc7 взаимодействуют, чтобы напрямую активировать источники репликации, что приводит к инициации синтеза ДНК.

11.1.8 Преинициативный комплекс

В ранней S фазе активация S-Cdk и Cdc7 ведет к сборке преинициативного комплекса, массивного белкового комплекса, сформированного в начале. Формирование преинициативного комплекса вытесняет Cdc6 и Cdt1 из исходного репликационного комплекса, инактивируя и разобирая пре-репликационный комплекс. Загрузка преинициативного комплекса на ориджин активирует геликазу Mcm, вызывая раскручивание спирали ДНК. Комплекс преинициации также загружает в ДНК α-примазу и другие ДНК-полимеразы.

После того, как α-примаза синтезирует первые праймеры, соединения праймер-матрица взаимодействуют с загрузчиком зажима, который загружает скользящий зажим на ДНК, чтобы начать синтез ДНК. Компоненты комплекса преинициации остаются связанными с вилками репликации по мере того, как они выходят из источника.

11.1.9 Удлинение

ДНК-полимераза обладает 5′ – 3 ′ активностью. Для всех известных систем репликации ДНК требуется свободная 3'-гидроксильная группа, прежде чем можно будет инициировать синтез (примечание: матрица ДНК читается в направлении от 3 'к 5', тогда как новая цепь синтезируется в направлении от 5 'к 3' - это часто бывает смущенный). Различают четыре различных механизма синтеза ДНК:

Все клеточные формы жизни и многие ДНК-вирусы, фаги и плазмиды используют примазу для синтеза короткого праймера РНК со свободной 3'-группой ОН, которая впоследствии удлиняется ДНК-полимеразой. 5'-конец разорванной цепи переносится на остаток тирозина на нуклеазе, а свободная 3'-ОН-группа затем используется ДНК-полимеразой для синтеза новой цепи. Первый из этих механизмов является наиболее известным и используется клеточными организмами. В этом механизме, как только две цепи разделены, праймаза добавляет праймеры РНК к цепям матрицы. Ведущая цепь получает один праймер РНК, а отстающая цепь - несколько. Ведущая цепь непрерывно удлиняется от праймера ДНК-полимеразой с высокой процессивностью, в то время как отстающая цепь прерывисто удлиняется от каждого праймера, образуя фрагменты Окадзаки. РНКаза удаляет фрагменты праймерной РНК, и ДНК-полимераза с низкой процессивностью, отличная от репликативной полимеразы, входит, чтобы заполнить пробелы. Когда это будет завершено, можно будет найти одну щель на ведущей нити и несколько щелей на отстающей нити. Лигаза заполняет эти зазоры, завершая тем самым реплицированную молекулу ДНК.

Множественные ДНК-полимеразы играют разные роли в процессе репликации ДНК. В Кишечная палочка, ДНК Pol III - это фермент полимераза, который в первую очередь отвечает за репликацию ДНК. Он собирается в репликационный комплекс на репликационной вилке, который демонстрирует чрезвычайно высокую процессивность, оставаясь нетронутым в течение всего репликационного цикла. Напротив, ДНК Pol I - это фермент, отвечающий за замену праймеров РНК на ДНК. ДНК Pol I обладает экзонуклеазной активностью от 5 'до 3' в дополнение к своей полимеразной активности и использует свою экзонуклеазную активность для разрушения праймеров РНК впереди, поскольку он удлиняет цепь ДНК позади себя, в процессе, называемом ник-трансляцией. Pol I гораздо менее процессивен, чем Pol III, потому что его основная функция в репликации ДНК состоит в создании множества коротких участков ДНК, а не нескольких очень длинных участков.

У эукариот фермент с низкой процессивностью, Pol α, помогает инициировать репликацию, потому что он образует комплекс с примазой. У эукариот синтез ведущей цепи, как полагают, осуществляется с помощью Pol ε, однако эта точка зрения недавно была оспорена, предполагая роль Pol δ. Удаление праймера завершается Pol δ, в то время как репарация ДНК во время репликации завершается Pol ε.

По мере продолжения синтеза ДНК исходные нити ДНК продолжают раскручиваться с каждой стороны пузыря, образуя вилку репликации с двумя зубцами. У бактерий, которые имеют единственный источник репликации на своей кольцевой хромосоме, этот процесс создает «тета-структуру» (напоминающую греческую букву тета: θ). Напротив, эукариоты имеют более длинные линейные хромосомы и инициируют репликацию в нескольких источниках внутри них.

11.1.10 Вилка репликации

Репликационная вилка - это структура, которая формируется внутри длинной спиральной ДНК во время репликации ДНК. Он создается геликазами, которые разрывают водородные связи, удерживающие две нити ДНК вместе в спирали. Полученная структура имеет два «зубца» разветвления, каждый из которых состоит из одной нити ДНК. Эти две нити служат в качестве матрицы для ведущей и отстающей цепей, которые будут созданы по мере того, как ДНК-полимераза сопоставляет комплементарные нуклеотиды с матрицами, матрицы могут правильно называться шаблоном ведущей цепи и шаблоном отстающей цепи.

ДНК всегда синтезируется путем добавления нуклеотидов к 3'-концу цепи. Поскольку матрицы ведущей и отстающей нити ориентированы в противоположных направлениях на репликационной вилке, основная проблема заключается в том, как добиться синтеза зарождающейся (новой) отстающей нити ДНК, направление синтеза которой противоположно направлению растущей репликационной вилки.

11.1.11 Репликация ведущей нити

Ведущая нить - это нить растущей ДНК, которая синтезируется в том же направлении, что и растущая репликационная вилка. Такая репликация ДНК непрерывна.

11.1.12 Репликация отстающей нити

Отстающая нить - это нить растущей ДНК, направление синтеза которой противоположно направлению растущей репликационной вилки. Из-за своей ориентации репликация отстающей цепи более сложна по сравнению с репликацией ведущей цепи. Как следствие, ДНК-полимераза на этой цепи, как видно, «отстает» от другой цепи.

Отстающая нить синтезируется в виде коротких отдельных сегментов. На матрице отстающей цепи праймаза «считывает» матричную ДНК и инициирует синтез короткого праймера комплементарной РНК. ДНК-полимераза удлиняет примированные сегменты, образуя фрагменты Окадзаки. Затем праймеры РНК удаляются и заменяются ДНК, и фрагменты ДНК соединяются вместе с помощью ДНК-лигазы.

Во всех случаях геликаза состоит из шести полипептидов, которые охватывают только одну цепь реплицируемой ДНК. Две полимеразы связаны с гексимером геликазы. У эукариот геликаза оборачивается вокруг ведущей нити, а у прокариот - вокруг отстающей нити.

Когда геликаза раскручивает ДНК в репликационной вилке, ДНК впереди заставляет вращаться. Этот процесс приводит к накоплению изгибов в ДНК впереди. Это нарастание образует сопротивление скручиванию, которое в конечном итоге остановит продвижение репликационной вилки. Топоизомеразы - это ферменты, которые временно разрывают цепи ДНК, снимая напряжение, вызванное раскручиванием двух цепей спирали ДНК. Топоизомеразы (включая ДНК-гиразу) достигают этого путем добавления отрицательных суперспиралей к спирали ДНК.

Голая одноцепочечная ДНК имеет тенденцию складываться, образуя вторичные структуры, эти структуры могут мешать движению ДНК-полимеразы. Чтобы предотвратить это, одноцепочечные связывающие белки связываются с ДНК до тех пор, пока не будет синтезирована вторая цепь, предотвращая образование вторичной структуры.

Зажимные белки образуют скользящий зажим вокруг ДНК, помогая ДНК-полимеразе поддерживать контакт со своей матрицей, тем самым способствуя процессивности. Внутренняя поверхность зажима позволяет пропустить через него ДНК. Как только полимераза достигает конца матрицы или обнаруживает двухцепочечную ДНК, скользящий зажим претерпевает конформационное изменение, которое высвобождает ДНК-полимеразу. Белки, загружающие зажим, используются для первоначальной загрузки зажима, распознавая соединение между матрицей и праймерами РНК.

11.1.13 Белки репликации ДНК

На вилке репликации многие ферменты репликации собираются на ДНК в сложную молекулярную машину, называемую реплисомой. Ниже приводится список основных ферментов репликации ДНК, которые участвуют в реплисоме:

Таблица 9.1: Список основных ферментов репликации ДНК, которые участвуют в реплисоме
Ферменты Функция в репликации ДНК
ДНК-геликаза Также известен как фермент, дестабилизирующий спираль. Геликаза разделяет две нити ДНК на вилке репликации за топоизомеразой.
ДНК-полимераза Фермент, ответственный за катализирование добавления нуклеотидных субстратов к ДНК в направлении от 5 'к 3' во время репликации ДНК. Также выполняет корректуру и исправление ошибок. Существует много разных типов ДНК-полимеразы, каждая из которых выполняет разные функции в разных типах клеток.
Зажим ДНК Белок, который предотвращает диссоциацию удлиняющихся ДНК-полимераз от родительской цепи ДНК.
Одноцепочечный ДНК-связывающий белок Связываются с оцДНК и предотвращают повторный отжиг двойной спирали ДНК после того, как ДНК-геликаза раскручивает ее, таким образом поддерживая разделение цепей и облегчая синтез возникающей цепи.
Топоизомераза Освобождает ДНК от ее суперспиральной природы.
ДНК-гираза Снимает напряжение раскручивания ДНК-геликазой, это особый тип топоизомеразы.
ДНК-лигаза Повторно отжигает полуконсервативные пряди и соединяет фрагменты отстающей пряди Окадзаки.
Primase Обеспечивает отправную точку РНК (или ДНК) для ДНК-полимеразы, чтобы начать синтез новой цепи ДНК.
Теломераза Удлиняет теломерную ДНК, добавляя повторяющиеся нуклеотидные последовательности к концам эукариотических хромосом. Это позволяет зародышевым клеткам и стволовым клеткам избежать ограничения Хейфлика на деление клеток.

11.1.14 Прекращение действия

Эукариоты инициируют репликацию ДНК во многих точках хромосомы, поэтому вилки репликации встречаются и заканчиваются во многих точках хромосомы. Поскольку эукариоты имеют линейные хромосомы, репликация ДНК не может достичь самого конца хромосом. Из-за этой проблемы ДНК теряется в каждом цикле репликации с конца хромосомы. Теломеры - это участки повторяющейся ДНК, расположенные близко к концам, которые помогают предотвратить потерю генов из-за этого укорочения. Укорочение теломер - нормальный процесс в соматических клетках. Это укорачивает теломеры хромосомы дочерней ДНК. В результате клетки могут делиться только определенное количество раз, прежде чем потеря ДНК предотвратит дальнейшее деление. (Это известно как предел Хейфлика.) Внутри линии зародышевых клеток, которая передает ДНК следующему поколению, теломераза удлиняет повторяющиеся последовательности области теломер, чтобы предотвратить деградацию. Теломераза может ошибочно стать активной в соматических клетках, что иногда приводит к образованию рака. Повышенная активность теломеразы - один из признаков рака.

Прекращение требует, чтобы продвижение вилки репликации ДНК было остановлено или заблокировано. Терминация в конкретном локусе, когда она происходит, включает взаимодействие между двумя компонентами: (1) последовательностью сайта терминации в ДНК и (2) белком, который связывается с этой последовательностью, чтобы физически остановить репликацию ДНК. У различных видов бактерий это называется сайт-связывающим белком конца репликации ДНК или Ter-белком.

Поскольку бактерии имеют кольцевые хромосомы, прекращение репликации происходит, когда две репликационные вилки встречаются на противоположном конце родительской хромосомы. Кишечная палочка регулирует этот процесс за счет использования терминирующих последовательностей, которые при связывании с белком Tus обеспечивают прохождение только одного направления репликационной вилки. В результате вилки репликации вынуждены всегда встречаться в области терминации хромосомы.

11.1.15 Регуляция репликации ДНК

Внутри эукариот репликация ДНК контролируется в контексте клеточного цикла. По мере того, как клетка растет и делится, она проходит стадии клеточного цикла. Репликация ДНК происходит во время фазы S (фазы синтеза). Прогресс эукариотической клетки по циклу контролируется контрольными точками клеточного цикла. Прохождение через контрольные точки контролируется посредством сложных взаимодействий между различными белками, включая циклины и циклин-зависимые киназы.

Контрольная точка G1 / S (или контрольная точка рестрикции) регулирует, вступают ли эукариотические клетки в процесс репликации ДНК и последующего деления. Клетки, которые не проходят через эту контрольную точку, остаются на стадии G0 и не реплицируют свою ДНК.

После прохождения контрольной точки G1 / S ДНК должна реплицироваться только один раз в каждом клеточном цикле. Когда комплекс Mcm удаляется от источника, пререпликационный комплекс демонтируется. Поскольку новый комплекс Mcm не может быть загружен в источнике до тех пор, пока субъединицы предварительной репликации не будут реактивированы, один источник репликации не может использоваться дважды в одном и том же клеточном цикле.

Активация S-Cdks в ранней S-фазе способствует разрушению или ингибированию отдельных компонентов пререпликационного комплекса, предотвращая немедленную повторную сборку. S и M-Cdks продолжают блокировать сборку комплекса до репликации даже после завершения S фазы, гарантируя, что сборка не может происходить снова, пока вся активность Cdk не будет снижена в позднем митозе.

Репликация хлоропластов и митохондриальных геномов происходит независимо от клеточного цикла в процессе репликации D-петли.

11.1.16 Взаимодействие ДНК с белками

Все функции ДНК зависят от взаимодействия с белками. Эти белковые взаимодействия могут быть неспецифическими, или белок может специфически связываться с одной последовательностью ДНК. Ферменты также могут связываться с ДНК, и из них особенно важны полимеразы, которые копируют последовательность оснований ДНК при транскрипции и репликации ДНК.

11.1.17 ДНК-связывающие белки

Структурные белки, связывающие ДНК, являются хорошо изученными примерами неспецифических ДНК-белковых взаимодействий. Внутри хромосом ДНК находится в комплексах со структурными белками. Эти белки организуют ДНК в компактную структуру, называемую хроматином. У эукариот эта структура включает связывание ДНК с комплексом небольших основных белков, называемых гистонами, тогда как у прокариот задействованы несколько типов белков. Гистоны образуют дискообразный комплекс, называемый нуклеосомой, который содержит два полных витка двухцепочечной ДНК, обернутой вокруг ее поверхности. Эти неспецифические взаимодействия образуются посредством основных остатков в гистонах, образующих ионные связи с кислым сахарно-фосфатным остовом ДНК, и, таким образом, в значительной степени не зависят от последовательности оснований. Химические модификации этих основных аминокислотных остатков включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование. Эти химические изменения изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, делая ДНК более или менее доступной для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. Другие неспецифические ДНК-связывающие белки в хроматине включают белки группы с высокой подвижностью, которые связываются с изогнутой или искаженной ДНК. Эти белки важны для изгиба массивов нуклеосом и их упорядочения в более крупные структуры, составляющие хромосомы.

Отдельной группой ДНК-связывающих белков являются ДНК-связывающие белки, которые специфически связывают одноцепочечную ДНК. У людей репликационный белок А является наиболее изученным членом этого семейства и используется в процессах, в которых двойная спираль разделяется, включая репликацию ДНК, рекомбинацию и репарацию ДНК. Эти связывающие белки, по-видимому, стабилизируют одноцепочечную ДНК и защищают ее от образования петель или разрушения нуклеазами.

Напротив, другие белки эволюционировали, чтобы связываться с определенными последовательностями ДНК. Наиболее интенсивно из них изучаются различные факторы транскрипции, которые представляют собой белки, регулирующие транскрипцию. Каждый фактор транскрипции связывается с одним конкретным набором последовательностей ДНК и активирует или ингибирует транскрипцию генов, которые имеют эти последовательности, близкие к их промоторам. Факторы транскрипции делают это двумя способами. Во-первых, они могут связываться с РНК-полимеразой, ответственной за транскрипцию, либо напрямую, либо через другие белки-медиаторы, что определяет местонахождение полимеразы на промоторе и позволяет ей начать транскрипцию. Альтернативно, факторы транскрипции могут связывать ферменты, которые модифицируют гистоны на промоторе. Это изменяет доступность матрицы ДНК для полимеразы.

Поскольку эти ДНК-мишени могут встречаться по всему геному организма, изменения активности одного типа факторов транскрипции могут влиять на тысячи генов. Следовательно, эти белки часто являются мишенями процессов передачи сигналов, которые контролируют реакции на изменения окружающей среды или клеточную дифференцировку и развитие. Специфичность взаимодействий этих факторов транскрипции с ДНК обусловлена ​​множественными контактами белков с краями оснований ДНК, что позволяет им «читать» последовательность ДНК. Большинство этих взаимодействий с основанием происходит в большой бороздке, где основания наиболее доступны.

11.1.18 ДНК-модифицирующие ферменты

11.1.19 Нуклеазы и лигазы

Нуклеазы - это ферменты, которые разрезают цепи ДНК, катализируя гидролиз фосфодиэфирных связей. Нуклеазы, гидролизующие нуклеотиды на концах цепей ДНК, называются экзонуклеазами, а эндонуклеазы разрезаются внутри цепей. Наиболее часто используемые нуклеазы в молекулярной биологии - это эндонуклеазы рестрикции, которые разрезают ДНК по определенным последовательностям. Например, фермент EcoRI распознает последовательность из 6 оснований 5'-GAATTC-3 'и разрезает каждую цепь после G, создавая липкие концы из 4 нуклеотидов с 5’-концевым выступом AATT. В природе эти ферменты защищают бактерии от фаговой инфекции, переваривая ДНК фага, когда она попадает в бактериальную клетку, действуя как часть системы рестрикционной модификации. Эти специфичные для последовательности нуклеазы используются для молекулярного клонирования и снятия отпечатков пальцев ДНК.

Ферменты, называемые ДНК-лигазами, могут воссоединяться с разрезанными или разорванными цепями ДНК. Лигазы особенно важны в репликации отстающей нити ДНК, поскольку они объединяют короткие сегменты ДНК, образующиеся в репликационной вилке, в полную копию ДНК-матрицы. Они также используются в репарации ДНК и генетической рекомбинации.

11.1.20 Топоизомеразы и геликазы

Топоизомеразы - это ферменты, обладающие как нуклеазной, так и лигазной активностью. Эти белки изменяют степень суперспирализации ДНК. Некоторые из этих ферментов работают, разрезая спираль ДНК и позволяя одной секции вращаться, тем самым снижая уровень суперспирализации фермента, а затем запечатывает разрыв ДНК. Другие типы этих ферментов способны разрезать одну спираль ДНК и затем пропускать вторую цепь ДНК через этот разрыв, прежде чем воссоединиться со спиралью. Топоизомеразы необходимы для многих процессов с участием ДНК, таких как репликация и транскрипция ДНК.

Геликазы - это белки, которые представляют собой тип молекулярного мотора. Они используют химическую энергию нуклеозидтрифосфатов, преимущественно аденозинтрифосфата (АТФ), для разрыва водородных связей между основаниями и раскручивания двойной спирали ДНК на одиночные нити. Эти ферменты необходимы для большинства процессов, в которых ферментам необходим доступ к основаниям ДНК.

11.1.21 Полимеразы

Полимеразы - это ферменты, которые синтезируют полинуклеотидные цепи из нуклеозидтрифосфатов. Последовательность их продуктов создается на основе существующих полинуклеотидных цепей, которые называются шаблонами. Эти ферменты функционируют путем многократного добавления нуклеотида к 3'-гидроксильной группе в конце растущей полинуклеотидной цепи. Как следствие, все полимеразы действуют в направлении от 5 'до 3'. В активном центре этих ферментов входящие пары оснований нуклеозидтрифосфата в матрицу: это позволяет полимеразам точно синтезировать комплементарную цепь своей матрицы. Полимеразы классифицируются по типу используемого шаблона.

При репликации ДНК ДНК-зависимые ДНК-полимеразы создают копии полинуклеотидных цепей ДНК. Для сохранения биологической информации важно, чтобы последовательность оснований в каждой копии точно комплементарна последовательности оснований в цепи матрицы. Многие ДНК-полимеразы обладают корректирующей активностью. Здесь полимераза распознает случайные ошибки в реакции синтеза из-за отсутствия спаривания оснований между несовпадающими нуклеотидами. Если обнаруживается несоответствие, активируется 3'-5'-экзонуклеазная активность и неправильное основание удаляется. У большинства организмов ДНК-полимеразы функционируют в виде большого комплекса, называемого реплисомой, который содержит множество дополнительных субъединиц, таких как зажим ДНК или геликазы.

РНК-зависимые ДНК-полимеразы представляют собой специализированный класс полимераз, которые копируют последовательность цепи РНК в ДНК. Они включают обратную транскриптазу, вирусный фермент, участвующий в инфицировании клеток ретровирусами, и теломеразу, необходимую для репликации теломер. Например, обратная транскриптаза ВИЧ - это фермент для репликации вируса СПИДа. Теломераза - необычная полимераза, потому что она содержит собственную матрицу РНК как часть своей структуры. Он синтезирует теломеры на концах хромосом. Теломеры предотвращают слияние концов соседних хромосом и защищают концы хромосом от повреждений.

Транскрипция осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразой, которая копирует последовательность цепи ДНК в РНК. Чтобы начать транскрибирование гена, РНК-полимераза связывается с последовательностью ДНК, называемой промотором, и разделяет цепи ДНК. Затем он копирует последовательность гена в транскрипт информационной РНК, пока не достигнет области ДНК, называемой терминатором, где она останавливается и отделяется от ДНК. Как и в случае ДНК-зависимых ДНК-полимераз человека, РНК-полимераза II, фермент, транскрибирующий большинство генов в геноме человека, действует как часть большого белкового комплекса с множеством регуляторных и вспомогательных субъединиц.

11.1.22 Рекомбинация ДНК

Спираль ДНК обычно не взаимодействует с другими сегментами ДНК, а в клетках человека разные хромосомы даже занимают отдельные области в ядре, называемые «территориями хромосом». Это физическое разделение разных хромосом важно для способности ДНК функционировать в качестве стабильного хранилища информации, поскольку один из немногих случаев взаимодействия хромосом - это хромосомный кроссовер, который происходит во время полового размножения, когда происходит генетическая рекомбинация. Хромосомный кроссовер - это когда две спирали ДНК разрываются, меняют местами участки и затем снова соединяются.

Рекомбинация позволяет хромосомам обмениваться генетической информацией и производить новые комбинации генов, что увеличивает эффективность естественного отбора и может иметь важное значение для быстрой эволюции новых белков. Генетическая рекомбинация также может участвовать в репарации ДНК, особенно в реакции клетки на двухцепочечные разрывы.

Наиболее распространенной формой хромосомного кроссовера является гомологичная рекомбинация, при которой две участвующие хромосомы имеют очень похожие последовательности. Негомологичная рекомбинация может повредить клетки, так как она может вызвать хромосомные транслокации и генетические аномалии. Реакция рекомбинации катализируется ферментами, известными как рекомбиназы, такими как RAD51. Первым шагом в рекомбинации является двухцепочечный разрыв, вызванный либо эндонуклеазой, либо повреждением ДНК. Затем серия стадий, частично катализируемых рекомбиназой, приводит к соединению двух спиралей посредством по меньшей мере одного соединения Холлидея, в котором сегмент одной цепи в каждой спирали отжигается с комплементарной цепью в другой спирали. Соединение Холлидея - это тетраэдрическая структура соединения, которую можно перемещать вдоль пары хромосом, меняя одну нить на другую. Затем реакция рекомбинации останавливается путем расщепления соединения и повторного лигирования высвободившейся ДНК. Только нити одинаковой полярности обмениваются ДНК во время рекомбинации. Существует два типа расщепления: расщепление с востока на запад и расщепление с севера на юг. Расщепление север-юг приводит к разрыву обеих цепей ДНК, в то время как разрез «восток-запад» сохраняет одну цепь ДНК нетронутой.

11.1.23 Эволюционная история ДНК

ДНК содержит генетическую информацию, которая позволяет всем формам жизни функционировать, расти и воспроизводиться. Однако неясно, как долго за 4-миллиардную историю жизни ДНК выполняла эту функцию, поскольку было высказано предположение, что самые ранние формы жизни могли использовать РНК в качестве своего генетического материала. РНК могла выступать в качестве центральной части раннего клеточного метаболизма, поскольку она может как передавать генетическую информацию, так и выполнять катализ в составе рибозимов. Этот древний мир РНК, в котором нуклеиновые кислоты использовались как для катализа, так и для генетики, возможно, повлиял на эволюцию текущего генетического кода, основанного на четырех нуклеотидных основаниях. Это могло бы произойти, поскольку количество различных оснований в таком организме является компромиссом между небольшим количеством оснований, увеличивающим точность репликации, и большим количеством оснований, повышающих каталитическую эффективность рибозимов. Однако нет прямых доказательств существования древних генетических систем, поскольку восстановление ДНК из большинства окаменелостей невозможно, поскольку ДНК выживает в окружающей среде менее одного миллиона лет и медленно распадается на короткие фрагменты в растворе.

Строительные блоки ДНК (аденин, гуанин и родственные органические молекулы) могли быть сформированы внеземными цивилизациями в космическом пространстве. Сложные ДНК и РНК-органические соединения жизни, включая урацил, цитозин и тимин, также были сформированы в лаборатории в условиях, имитирующих те, что обнаружены в космосе, с использованием исходных химических веществ, таких как пиримидин, обнаруженных в метеоритах. Пиримидин, как и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее богатое углеродом химическое вещество во Вселенной, возможно, образовалось в красных гигантах или в межзвездных облаках космической пыли и газа.

11.1.24 Генная инженерия

Были разработаны методы очистки ДНК от организмов, такие как экстракция фенол-хлороформ, и манипуляции с ней в лаборатории, такие как рестрикционные переваривания и полимеразная цепная реакция. Современная биология и биохимия интенсивно используют эти методы в технологии рекомбинантных ДНК. Рекомбинантная ДНК - это последовательность ДНК, созданная человеком, которая была собрана из других последовательностей ДНК. Они могут быть трансформированы в организмы в форме плазмид или в соответствующем формате с использованием вирусного вектора. Полученные генетически модифицированные организмы можно использовать для производства таких продуктов, как рекомбинантные белки, для использования в медицинских исследованиях или для выращивания в сельском хозяйстве.

11.1.25 ДНК-профилирование

Судебно-медицинские эксперты могут использовать ДНК крови, спермы, кожи, слюны или волос, обнаруженных на месте преступления, чтобы идентифицировать совпадающую ДНК человека, например преступника. Этот процесс формально называется профилированием ДНК, также называемым дактилоскопией ДНК. При профилировании ДНК между людьми сравнивается длина различных участков повторяющейся ДНК, таких как короткие тандемные повторы и минисателлиты. Этот метод обычно является чрезвычайно надежным методом определения совпадающей ДНК. Однако идентификация может быть затруднена, если место происшествия заражено ДНК нескольких человек. Анализ ДНК был разработан в 1984 году британским генетиком сэром Алеком Джеффрисом и впервые использован в судебной медицине для осуждения Колина Пичфорка по делу об убийстве в Эндерби 1988 года.

ДНК-профилирование также используется в ДНК-тестировании отцовства, чтобы определить, является ли кто-либо биологическим родителем или бабушкой или дедушкой ребенка с вероятностью отцовства, как правило, 99,99%, когда предполагаемый родитель биологически связан с ребенком. Обычно проверка на отцовство проводится после рождения, но недавно разработанные методы позволяют выделить и секвенировать ДНК плода из крови матери.


Хромосомы и гены

У каждого вида есть характерное количество хромосом. Хромосомы спиральные структуры, состоящие из ДНК и белков, называемые гистоны (Фигура ниже). Хромосомы - это форма генетического материала клетки во время деления клетки. См. Дополнительную информацию в разделе «Хромосомы».

В геноме человека 23 пары хромосом, расположенных в ядрах соматических клеток. Каждая хромосома состоит из генов и другой ДНК, намотанной вокруг гистонов (белков) в плотно свернутую молекулу.

Человеческий вид характеризуется 23 парами хромосом, как показано на Фигура ниже. Вы можете посмотреть короткую анимацию о хромосомах человека по этой ссылке: http://www.dnalc.org/view/15520-DNA-is-organized-into-46-chromosomes-including-sex-chromosomes-3D-animation.html .

Хромосомы человека. У человека 23 пары хромосом. Пары 1-22 - аутосомы.У женщин две X-хромосомы, а у мужчин - X и Y-хромосомы.

Аутосомы

Из 23 пар хромосом человека 22 пары являются аутосомами (номера 1 и 22 в Фигуравыше). Аутосомы хромосомы, содержащие гены характеристик, не связанных с полом. Эти хромосомы одинаковы у мужчин и женщин. Подавляющее большинство генов человека расположено на аутосомах. По ссылке ниже вы можете щелкнуть любую хромосому человека, чтобы увидеть, какие черты контролируют ее гены. Http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/posters/chromosome/chooser.shtml

Половые хромосомы

Оставшаяся пара хромосом человека состоит из половые хромосомы, X и Y. У женщин две Х-хромосомы, а у мужчин - одна Х-хромосома и одна Y-хромосома. У женщин одна из Х-хромосом в каждой клетке инактивирована и известна как тельца Барра. Это гарантирует, что у женщин, как и у мужчин, будет только одна действующая копия Х-хромосомы в каждой клетке.

Как видно из Фигура выше и Фигура выше, Х-хромосома намного больше, чем Y-хромосома. Х-хромосома имеет около 2000 генов, тогда как Y-хромосома - менее 100, ни один из которых не является необходимым для выживания. (Для сравнения, самая маленькая аутосома, хромосома 22, имеет более 500 генов.) Практически все гены Х-хромосомы не связаны с полом. Только Y-хромосома содержит гены, определяющие пол. Один ген Y-хромосомы, называемый SRY (что означает ген области Y, определяющий пол), запускает развитие эмбриона в мужчину. Без Y-хромосомы человек превращается в женщину, поэтому вы можете думать о женщине как о полу по умолчанию для человеческого вида. Можете ли вы придумать причину, по которой Y-хромосома намного меньше X-хромосомы? По следующей ссылке вы можете посмотреть анимацию, объясняющую почему: www.hhmi.org/biointeractive/g. evolution.html.

Гены человека

У людей примерно от 20 000 до 22 000 генов. Может показаться, что это много, но на самом деле это не так. У гораздо более простых видов почти столько же генов, сколько у людей. Однако человеческие клетки используют сплайсинг и другие процессы для создания множества белков из инструкций, закодированных в одном гене. Из 3 миллиардов пар оснований в геноме человека только около 25 процентов составляют гены и их регуляторные элементы. Функции многих других пар оснований до сих пор неясны. Чтобы узнать больше о кодирующих и некодирующих последовательностях ДНК человека, посмотрите анимацию по этой ссылке: www.hhmi.org/biointeractive/d. sequence.html.

Большинство генов человека имеют два или более возможных аллели, которые являются альтернативными формами гена. Различия в аллелях объясняют значительные генетические различия между людьми. Фактически, большинство генетических вариаций человека является результатом различий в индивидуальных основаниях ДНК в пределах аллелей.


Разница между ДНК и хромосомой

И ДНК, и хромосомы лежат в основе нашего базового понимания человеческого тела. Однако между ними есть тонкие различия, которые в значительной степени определяют их действия.

Итак, что вы вообще понимаете под ДНК? ДНК можно описать как длинное волокно, которое под мощным микроскопом напоминает волос. Единственная разница в том, что они намного тоньше и длиннее. Вся конструкция состоит из двух переплетенных между собой прядей. Когда клетки готовы к делению, белки прикрепляются к ДНК и приводят к созданию хромосомы.

ДНК в человеческом теле состоит из множества участков генов. Белки прикрепляются к этим участкам и скручивают их, образуя хромосомы. Эти растяжки очень важны для формирования организма. Ты знаешь почему?

Это потому, что именно эти отрезки определяют, какие гены будут включены, а какие выключены. Когда ген включен, он определяет, как белки будут формироваться в клетке. Это, в свою очередь, определяет многие аспекты человеческого существа - от цвета его глаз до наследственности ряда заболеваний и состояний.

Хромосома - это просто продукт ДНК и прикрепленных к ней белков. У каждого человека 23 пары хромосом. Один набор наследуется от отца, а один набор наследуется от матери. ДНК - это своего рода биомолекула. Всю ДНК в клетках можно найти в отдельных частях, которые называются хромосомами.

Основное различие между ДНК и хромосомой заключается в роли генов. ДНК означает дезоксирибонуклеиновую кислоту. ДНК в основном состоит из цитозина, аденина, тимина и гуанина. Когда вы размещаете эти четыре основания для создания определенного сегмента, он называется геном. Когда эти сегменты свернуты в форму, которая может быть легко дублирована, они известны как хромосомы.

Смущенный? Попытайтесь запомнить это так: ген состоит из крошечных хромосом, каждая из которых определяет определенную характеристику человека. Эти хромосомы далее делятся на части ДНК. Хромосомы - это в основном фрагменты ДНК. Если бы мы смотрели на хромосому как на переплетенное ожерелье, бусинки на ней были бы разными ДНК. Узор, образованный таким переплетением прядей, называется узором двойной спирали.

Все это основные строительные блоки тела. ДНК - это самая маленькая часть, которая вместе с белками образует хромосому. Таким образом, хромосома - это не что иное, как цепочка ДНК, которая была сделана достаточно компактной, чтобы поместиться в клетке.

Резюме:
1. И хромосомы, и ДНК составляют важную часть генов человека.
2. Хромосома - это часть генов человека, а ДНК - часть хромосомы.
3. Когда белки присоединяются к ДНК, образуется хромосома.


Разница между хромосомой и хроматидой

Конденсация

Хромосома: ДНК конденсируется 10 000 раз, образуя хромосому. Таким образом, хромосома - это наиболее сжатая форма ДНК.

Хроматида: ДНК конденсируется 50 раз с образованием хроматиды. Таким образом, хроматида менее конденсирована, чем хромосома.

Содержание

Хромосома: Хромосома состоит из одноцепочечной молекулы ДНК.

Хроматида: Хроматида состоит из двух цепей ДНК, соединенных центромерой.

Состав

Хромосома: Хромосома - это тонкая ленточная структура.

Хроматида: Хроматида - это тонкая и длинная волокнистая структура.

Генетический материал

Хромосома: Гомологичные хромосомы не идентичны. У них могут быть разные аллели одного и того же гена.

Хроматида: Гомологичные сестринские хроматиды идентичны.

Этап

Хромосома: Хромосомы появляются в М-фазе.

Хроматида: Хроматиды появляются в интерфазе.

Функция:

Хромосома: Хромосомы участвуют в распределении генетического материала.

Хроматида: Хроматиды участвуют в метаболизме и другой деятельности клетки.

Заключение

Хромосома состоит из одной молекулы ДНК, тогда как хроматида состоит из двух идентичных цепей ДНК, соединенных центромерой. Хромосомы обычно участвуют в распределении генетического материала в ядерном делении. Хроматиды участвуют в метаболизме и регуляции экспрессии генов. Тем не менее, ДНК конденсируется 10 000 раз в хромосоме, в то время как сама она конденсируется 50 раз в хроматиде. Таким образом, ключевое различие между хромосомой и хроматидой заключается в уровне конденсации.

Ссылка:
1. Хиггинс Н. П. Структура хромосомы. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ НАУК О ЖИЗНИ. 2015 http://smcg.ccg.unam.mx/enp-unam/03-EstructuraDelGenoma/cromosomeStructure.pdf 8 февраля 2017 г.
2. «Хромосома». Национальный институт исследования генома человека. 8 февраля 2017 г. https://www.genome.gov/26524120/chromosomes-fact-sheet/

Изображение предоставлено:
1. & # 8220Спектральный кариотип в небе & # 8221 из Национального института исследования генома человека & # 8211 Найдено на: Национальное исследование генома человека (США) & # 8211 скопировано из wikipedia: en. (Общественное достояние) через Commons Wikimedia
2. & # 82200321 Макроструктура ДНК & # 8221 Автор OpenStax & # 8211 (CC BY 4.0) через Commons Wikimedia

Об авторе: Лакна

Лакна, выпускник кафедры молекулярной биологии и биохимии, является молекулярным биологом и проявляет большой интерес к открытиям, связанным с природой.


Смотреть видео: Structura chimică a ADN (December 2022).