Mida tähendab lühidalt DNA molekulide kahekordistamine. Mis on DNA dubleerimine? Kuidas geneetiline teave edastatakse?

Kromosoomid koosnevad:

RNA ja valk

DNA ja RNA

DNA ja valk

Kromosoom koosneb DNA ja valk. DNA-ga seotud valkude kompleks moodustab kromatiini. Oravad mängivad oluline roll DNA molekulide pakendamisel tuumas. Enne rakkude jagunemist on DNA kromosoomide moodustamiseks tihedalt kokku keeratud ja DNA korrektseks voltimiseks on vajalikud tuumavalgud - histoonid, mille tulemusena väheneb selle maht mitu korda. Iga kromosoomi moodustab üks DNA molekul.

Paljunemisprotsess on...

mõlemad vastused on õiged

Paljundamine - elusorganismide üks olulisemaid omadusi. Paljundamine või omalaadne enesepaljundamine, kõigi elusorganismide omadus, mis tagab elu järjepidevuse ja järjepidevuse. Kõik elusolendid, ilma eranditeta, on võimelised paljunema. Paljunemismeetodid mitmesugused organismid võivad üksteisest oluliselt erineda, kuid mis tahes tüüpi paljunemise aluseks on rakkude jagunemine. Rakkude jagunemine ei toimu ainult organismide paljunemise ajal, nagu see toimub üherakulistel olenditel - bakteritel ja algloomadel. Mitmerakulise organismi arendamine ühest rakust hõlmab miljardeid raku jagunemisi. Lisaks ületab mitmerakulise organismi eluiga enamiku selle koostisse kuuluvate rakkude eluiga. Seetõttu peavad peaaegu kõik mitmerakuliste olendite rakud jagunema, et asendada surevad rakud. Rakkude intensiivne jagunemine on vajalik, kui keha on vigastatud, kui on vaja taastada kahjustatud elundeid ja kudesid.

Kui inimese sügoot sisaldab 46 kromosoomi, siis mitu kromosoomi on inimese munas?

Inimese kromosoomid sisaldavad geene (46 ühikut), moodustades 23 paari. Üks paar sellest komplektist määrab inimese soo. Naise kromosoomikomplekt sisaldab kahte X-kromosoomi, mehe oma - ühte X- ja ühte Y-kromosoomi. Kõik teised inimkeha rakud sisaldavad kaks korda rohkem kui spermat ja munarakke.

Mitu DNA ahelat on kahekordsel kromosoomil?

üks

kaks

neli

Replikatsiooni (kahekordistumise) ajal harutatakse osa "ema" DNA molekulist spetsiaalse ensüümi abil lahti kaheks ahelaks. Järgmisena kohandatakse iga katkenud DNA ahela nukleotiidiga komplementaarne nukleotiid. Seega kaks kaheahelalist DNA molekuli, (4 ahelat), millest igaüks sisaldab ühte "ema" molekuli ahelat ja ühte äsja sünteesitud ("tütar") ahelat. Need kaks DNA molekuli on absoluutselt identsed.

Kromosoomide kahekordistumise bioloogiline tähendus mitoosi interfaasis.

dubleeritud kromosoomid on paremini nähtavad

päriliku teabe muutmisel

Kromosoomide kahekordistumise tulemusena jääb uute rakkude pärilik informatsioon muutumatuks

Kromosoomide kahekordistumise bioloogiline tähendus on päriliku teabe ülekandmine järgmisele põlvkonnale. Seda funktsiooni teostatakse tänu DNA võimele dubleerida (redupleerida). Reduplikatsiooniprotsessi täpsusel on sügav bioloogiline tähendus: kopeerimise rikkumine tooks kaasa rakkude päriliku teabe moonutamise ja selle tulemusena tütarrakkude ja kogu organismi kui terviku funktsioneerimise häirimise. Kui DNA dubleerimist ei toimunud, siis iga kord, kui rakk jaguneb.

Kromosoomide arv väheneks poole võrra ja üsna pea ei jääks igasse rakku enam kromosoome. Küll aga teame, et mitmerakulise organismi kõigis keharakkudes kromosoomide arv on sama ja ei muutu põlvest põlve. See püsivus saavutatakse rakkude mitootilise jagunemise kaudu.

Selles mitoosifaasis eralduvad kromatiidid raku poolustele.

profaas

anafaasis

telofaas

IN anafaasis(4) sõsarkromatiidid eraldatakse spindli toimel: esmalt tsentromeeri piirkonnas ja seejärel kogu pikkuses. Sellest hetkest alates muutuvad nad iseseisvateks kromosoomideks. Spindli keermed venitavad need erinevatele poolustele. Seega on tütarkromatiidide identiteedi tõttu raku kahel poolusel sama geneetiline materjal: sama, mis oli rakus enne mitoosi algust.

Mitoosi peamine ülesanne.

DNA virnastamine

varustada uued rakud täieliku kromosoomikomplektiga

anda uutele lahtritele lisateavet

Jagunemismeetodit, mille käigus iga tütarrakk saab täpse koopia lähteraku geneetilisest materjalist, nimetatakse mitoosiks. Tema peamine ülesanne on pakkuda mõlemad rakud on samad ja täielik kromosoomide komplekt.

Selle mitoosi faasi tuumas toimub DNA heeliksimine.

profaas

metafaas

tsütokinees

Tuumas, laval profaas(2) toimub DNA heliksatsioon. Nukleoolid kaovad. Tsentrioolid lahknevad raku pooluste suunas. Nendest välja ulatuvad mikrotuubulid hakkavad moodustama lõhustumisspindli. Tuumamembraan hävib.

Mitu kromatiidi on igal kromosoomil enne selle dubleerimist?

Igal kromosoomil on enne dubleerimist üks kromatiid korraga. Interfaasi etapis jagatakse kromosoom kaheks kromatiidiks.

Otsene rakkude jagunemine või...

amitoos

mitoos

meioos

Otsene rakkude jagunemine või amitoos, on suhteliselt haruldane. Amitoosi ajal hakkab tuum jagunema ilma nähtavate esialgsete muutusteta. See ei taga DNA ühtlast jaotumist kahe tütarraku vahel, kuna amitoosi ajal DNA ei spiraali ja kromosoomid ei moodustu. Mõnikord ei toimu amitoosi ajal tsütokineesi. Sel juhul moodustub kahetuumaline rakk. Kui tsütoplasmaatiline jagunemine toimub, on suur tõenäosus, et mõlemad tütarrakud on defektsed. Amitoos esineb sageli surevates kudedes, aga ka kasvajarakkudes.

Mitoosi interfaasis toimuvad protsessid.

valkude süntees, rakkude kasv

kromosoomide kahekordistumine

mõlemad vastused on õiged

Interfaas on periood kahe jaotuse (1) vahel. Sel perioodil valmistub rakk jagunema. Kahekordne kogus DNA kromosoomides. Teiste organellide arv kahekordistub, sünteesitakse valke, ja kõige aktiivsemalt esinevad neist need, mis moodustavad jagunemise spindli rakkude kasvu.

Mitoosil põhinevad protsessid.

kõrgus; sügoodi killustumine; kudede regenereerimine

kromosoomide ristumine, sugurakkude moodustumine

mõlemad vastused on õiged

Rakkude aktiivsus väljendub nende suuruse muutumises. Kõik rakud on ühel või teisel määral võimelised kasvu. Kuid nende kasv on piiratud teatud piiridega. Mõned rakud, näiteks munarakud, võivad neisse munakollase kogunemise tõttu jõuda tohutu suuruseni. Tavaliselt kaasneb rakkude kasvuga valdav tsütoplasma mahu suurenemine, samas kui tuuma suurus muutub vähemal määral. Raku pooldumine alused kasv, areng, taastumine koed ja mitmerakulised organismid, nimelt mitoos. Mitoos on kahjustuste paranemise ja mittesugulise paljunemise protsesside aluseks.

Küsimus 1. Mis on raku elutsükkel?
Eluring rakud- see on tema eluperiood alates selle tekkimise hetkest jagunemisprotsessis kuni surmani või järgneva jagunemise lõpuni. Elutsükli kestus on väga erinev ja sõltub rakkude tüübist ja keskkonnatingimustest: temperatuurist, hapniku kättesaadavusest ja toitaineid. Amööbi elutsükkel on 36 tundi ja mõne bakteri puhul 20 minutit. Sest närvirakud või näiteks läätserakud, selle kestus on aastaid ja aastakümneid.

Küsimus 2. Kuidas toimub DNA dubleerimine mitootilises tsüklis? Mis on selle protsessi mõte?
DNA dubleerimine toimub interfaasi ajal. Esmalt lahknevad DNA molekuli kaks ahelat ja seejärel sünteesitakse mõlemal komplementaarsuse põhimõttel uus polünukleotiidjärjestus. Seda protsessi juhivad spetsiaalsed ensüümid, kulutades ATP energiat. Uued DNA molekulid on algse (ema) molekuli absoluutselt identsed koopiad. Geenimuutusi ei toimu, mis tagab päriliku informatsiooni stabiilsuse, vältides nii tütarrakkude kui ka kogu organismi kui terviku talitlushäireid. DNA dubleerimine tagab ka selle, et kromosoomide arv jääb põlvest põlve konstantseks.

Küsimus 3. Mis on raku ettevalmistamine mitoosiks?
Raku ettevalmistamine mitoosiks toimub interfaasis. Interfaasi ajal on aktiivsed biosünteesi protsessid, rakk kasvab, moodustab organelle, akumuleerib energiat ja mis kõige tähtsam, toimub DNA dubleerimine (reduplikatsioon). Reduplikatsiooni tulemusena moodustuvad kaks identset DNA molekuli, mis on tsentromeeris ühendatud. Selliseid molekule nimetatakse kromatiidideks. Kaks paaris kromatiidi moodustavad kromosoomi.

Küsimus 4. Kirjeldage mitoosi faase järjestikku.
Mitoos ja selle faasid.
Mitoos (karüokinees) on kaudne jagunemine rakud, milles eristatakse faase: profaas, metafaas, anafaas ja telofaas.
1. Profaasi iseloomustab:
1) kromonoomid spiraalivad, paksenevad ja lühenevad.
2) nukleoolid kaovad, s.o. Tuuma kromoneem on pakitud kromosoomidele, millel on sekundaarne ahenemine, mida nimetatakse nukleolaarseks organiseerijaks.
3) tsütoplasmas moodustuvad kaks rakukeskust (tsentrioolid) ja moodustuvad spindliniidid.
4) profaasi lõpus tuumamembraan laguneb ja kromosoomid satuvad tsütoplasmasse.
Profaasi kromosoomide komplekt on 2n4c.
2. Metafaasi iseloomustab:
1) kromosoomide tsentromeeride külge kinnituvad spindli niidid ja kromosoomid hakkavad liikuma ja joonduvad raku ekvaatoril.
2) metafaasi nimetatakse "raku passiks", sest On selgelt näha, et kromosoom koosneb kahest kromatiidist. Kromosoomid on maksimaalselt spiraliseerunud, kromatiidid hakkavad üksteist tõrjuma, kuid on siiski tsentromeeris ühendatud. Selles etapis uuritakse rakkude karüotüüpi, sest kromosoomide arv ja kuju on selgelt näha. Faas on väga lühike.
Metafaasi kromosoomide komplekt on 2n4c.
3. Anafaasi iseloomustab:
1) kromosoomide tsentromeerid jagunevad ja sõsarkromatiidid liiguvad raku poolustele ning muutuvad iseseisvateks kromatiidideks, mida nimetatakse tütarkromosoomideks. Raku igal poolusel on diploidne kromosoomide komplekt.
Anafaasi kromosoomide komplekt on 4n4c.
4. Telofaasi iseloomustab:
Ühekromatiidilised kromosoomid lähevad rakupoolustel välja, moodustuvad tuumakesed ja taastub tuumamembraan.
Telofaasi kromosoomide komplekt on 2n2c.
Telofaas lõpeb tsütokineesiga. Tsütokinees on tsütoplasma jagunemise protsess kahe tütarraku vahel. Tsütokinees esineb taimedes ja loomades erinevalt.
Looma rakus. Raku ekvaatorile tekib rõngakujuline ahenemine, mis süvendab ja pitsitab täielikult raku keha. Selle tulemusena moodustub kaks uut rakku, mis on emarakust poole väiksemad. Kitsenduspiirkonnas on palju aktiini, st. Liikumisel mängivad rolli mikrokiud.
Tsütokinees kulgeb ahenemise teel.
IN taimerakk. Ekvaatoril, raku keskel, moodustub Golgi kompleksi diktüosoomide vesiikulite kuhjumise tulemusena rakuplaat, mis kasvab keskelt perifeeriasse ja viib emaraku jagunemiseni. kaks rakku. Seejärel pakseneb vahesein tselluloosi ladestumise tõttu, moodustades rakuseina.
Tsütokinees kulgeb läbi vaheseina.

Küsimus 5. Kuidas see on? bioloogiline tähtsus mitoos?
Mitoosi tähendus:
1. Geneetiline stabiilsus, sest kromatiidid tekivad replikatsiooni tulemusena, s.o. nende pärilik teave on identne nende ema omaga.
2. Organismide kasv, sest Mitoosi tagajärjel suureneb rakkude arv.
3. Mittesuguline paljunemine – paljud taime- ja loomaliigid paljunevad mitootilise jagunemise teel.
4. Rakkude regenereerimine ja asendamine toimub mitoosi teel.
Mitoosi bioloogiline tähendus.
Mitoosi tulemusena moodustuvad kaks tütarrakku, millel on emarakuga sama kromosoomikomplekt.

10.03.2015 13.10.2015

DNA-l on hämmastav omadus, mis ei ole omane teistele tänapäeval tuntud molekulidele – võime isepaljuneda.
DNA kahekordistamist nimetatakse raske protsess selle isepaljunemine. Tänu DNA molekulide isekaheldumisomadusele on võimalik nii paljunemine kui ka pärilikkuse edasikandumine organismi poolt oma järglastele, sest organismide geneetilises informatsioonis on kodeeritud täielikud andmed struktuuri ja toimimise kohta. DNA on enamiku mikroorganismide ja makroorganismide pärilike materjalide aluseks. Õige nimi DNA kahekordistumise protsess – replikatsioon (reduplikatsioon).

Kuidas geneetiline teave edastatakse?

Kui rakud paljunevad eneseduplikatsiooni abil, toodavad nad oma genoomi täpse koopia ja rakkude jagunemise protsessis saab iga rakk ühe koopia. See hoiab ära vanemate rakkudes sisalduva geneetilise teabe kadumise, mis võimaldab pärilikke andmeid säilitada ja järglastele edasi anda.
Igal organismil on oma pärilikkuse edasikandumise tunnused. Mitmerakuline organism edastab oma genoomi meioosi käigus tekkinud sugurakkude kaudu. Nende ühinemisel täheldatakse sügoodi sees vanemate genoomide seost, millest areneb organism, mis sisaldab mõlema vanema geneetilist teavet.
Väärib märkimist, et päriliku teabe täpseks edastamiseks on vajalik, et see kopeeritakse tervikuna ja ilma vigadeta. See on võimalik tänu spetsiaalsetele ensüümidele. Huvitav fakt on see, et need unikaalsed molekulid kannavad endas geene, mis võimaldavad organismil sünteesiks vajalikke ensüüme toota ehk sisaldavad kõike, mis on vajalik tema isepaljundamiseks.

Ise kahekordistavad hüpoteesid

Küsimus genoomi replikatsiooni mehhanismi kohta jäi lahtiseks pikka aega. Teadlased pakkusid välja 3 hüpoteesi, mis viitavad peamisele võimalikud viisid genoomi dubleerimine on poolkonservatiivne teooria, konservatiivne hüpotees või hajutamismehhanism.
Konservatiivse hüpoteesi kohaselt toimib pärilike andmete replikatsiooni protsessis DNA lähteahel uue ahela mallina, nii et selle tulemuseks on see, et üks ahel on täiesti vana, teine ​​​​uus. Poolkonservatiivse hüpoteesi järgi moodustuvad geenid, mis sisaldavad nii vanem- kui ka tütarlõime. Hajutatud mehhanismi puhul eeldatakse, et geenid sisaldavad uusi ja vanu fragmente.
Teadlaste Meselsoni ja Stahli 1958. aastal läbiviidud eksperiment näitas, et geneetilise materjali DNA kahekordistamine eeldab koos iga vana (malli) niidiga ka äsja sünteesitud niidi olemasolu. Seega on selle katse tulemused tõestanud poolkonservatiivset hüpoteesi geneetilise informatsiooni eneseduplikatsioonist.

Kuidas kahekordistumine toimub?

Genoomi kopeerimisprotsess põhineb päriliku teabe ensümaatilisel sünteesil molekulist maatriksi põhimõttel.
On teada tõsiasi, et spiraalne DNA on komplementaarsuse teooria kohaselt üles ehitatud kahest nukleotiidahelast – nukleotiidalus tsütosiin on komplementaarne guanidiiniga ja adeniin tümiiniga. Sama põhimõte kehtib ka enese kahekordistamisel.
Esiteks, replikatsiooni ajal täheldatakse ahela initsiatsiooni. Siin toimivad DNA polümeraasid, ensüümid, mis võivad lisada uusi nukleotiide ahela 3'-otsast. Eelsünteesitud DNA ahelat, millele on lisatud nukleotiide, nimetatakse praimeriks. Selle sünteesi viib läbi ensüüm DNA primaas, mis koosneb ribonukleotiididest. Just seemnest saab alguse geeniandmete kahekordistumine. Kui sünteesiprotsess on juba alanud, saab praimeri eemaldada ja polümeraas sisestab selle asemele uued nukleotiidid.

Järgmine etapp on spiraalse DNA molekuli lahtikerimine, millega kaasneb ahelaid ühendavate vesiniksidemete katkemine DNA helikaaside abil. Helikaasid liiguvad mööda üht ahelat. Kui tekib topeltspiraalne piirkond, katkevad nukleotiidide vahelised vesiniksidemed uuesti, mis võimaldab replikatsioonikahvlil edasi liikuda. Lisaks on teadlased leidnud spetsiaalsed valgud – DNA topoisomeraasid –, mis võivad murda geeniahelaid, võimaldada neil eralduda ja vajadusel ühendada varem tehtud ahelakatkestused.
Seejärel ahelad eralduvad, moodustades replikatsioonikahvli – isepaljuneva piirkonna, mis on võimeline liikuma piki algset ahelat, mis näeb välja nagu hargneb. See on koht, kus polümeraasid kopeerivad geeniahelaid. Replitseeritud piirkonnad näevad välja nagu molekulis asuvad silmad. Need moodustuvad seal, kus asuvad spetsiaalsed replikatsiooni alguspunktid. Sellised silmad võivad sisaldada ühte või kahte replikatsioonikahvlit.
Järgmine samm on nukleotiidide lisamine algsele vanemlikule teisele (tütar) ahelale polümeraaside abil vastavalt komplementaarsuse põhimõttele.
Kõik niidid on üksteise suhtes antiparalleelsed. Äsja sünteesitud ahelate kasvu täheldatakse suunas 5'-otsast 3'-otsani (st täheldatakse 3'-otsa pikenemist) ja DNA polümeraasi poolt algse matriitsi ahela lugemist jälgitakse ahela suunas. ahela 5′ ots.
Lisaks asjaolule, et geenide dubleerimine on võimalik ainult 3'-otsast, võib süntees toimuda samaaegselt ainult ühel replikatsioonikahvli ahelatest. Geenimaterjali süntees toimub vanemahelal. Antiparalleelsel ahelal süntees toimub lühikeste (mille pikkus ei ületa 200 nukleotiidi) fragmente (Okazaki). Pidevalt saadud äsja sünteesitud ahel on juhtiv ja Okazaki fragmentide abil kokkupandud ahel on mahajäänu. Okazaki fragmentide süntees algab spetsiaalse RNA praimeriga, mis eemaldatakse mõne aja pärast pärast kasutamist ja tühjad istmed täitub nukleotiidide polümeraasiga. See soodustab ühe pideva niidi moodustumist fragmentidest.
Seda kopeerimist jälgitakse spetsiaalse primaasensüümi valgu informatsiooni abil, milles osalevad helikaasid, mis moodustavad kompleksse primosoomi, mis liigub replikatsioonikahvli ja Okazaki fragmentide sünteesiks vajaliku RNA praimeri avanemise suunas. Kokku osaleb ja töötab isepaljunemisel üheaegselt ligi kakskümmend erinevat valku.
Fermentatiivsete sünteesiprotsesside tulemuseks on uute geeniahelate moodustumine, mis täiendavad iga lahknenud ahelat.
Sellest järeldub, et geneetilise materjali iseduplemise käigus täheldatakse kahe uue topeltspiraalse tütarmolekuli teket, mis sisaldavad informatsiooni ühest vastsünteesitud ahelast ja teisest ahelast algsest molekulist.

Geenimaterjali kahekordistumise iseärasused erinevates organismides

Bakterites sünteesitakse geneetilise materjali enesepaljunemise protsessis kogu genoom.
Viirustel ja faagidel, mis sisaldavad pärilikkusainet üheahelalisest molekulist, on oluliselt erinevad iseduplikatsiooniprotsessid. Hetkel, mil nad sisenevad peremeesorganismi rakkudesse, moodustub üheahelalisest molekulist kaheahelaline molekul, mis valmib komplementaarsuse põhimõttel.
Äsja moodustunud molekulil (selle nn spetsiaalne replikatiivne vorm) täheldatakse uute, juba üheahelaliste ahelate sünteesi, mis on osa uutest viirusrakkudest.
Eneseduplikatsiooniprotsessid toimuvad sarnaselt viiruste või faagide RNA-d sisaldavates rakkudes.
Eukarüootidel – kõrgematel organismidel – on geenide replikatsiooniprotsessid, mis toimuvad interfaasi ajal, mis eelneb rakkude jagunemisele. Seejärel toimub kopeeritud geneetiliste elementide - kromosoomide - edasine eraldamine, samuti nende ühtlane jagunemine oma järglaste vahel geenides, mis säilivad muutumatuna ja kanduvad edasi järglastele ja uutele põlvkondadele.

Geenimolekuli koopia täpsus

Väärib märkimist, et äsja sünteesitud geenimaterjali ahelad ei erine mallist. Seetõttu protsesside käigus
Pärast rakkude jagunemist on igal tütrel võimalik saada täpne koopia ema geneetilisest informatsioonist, mis aitab kaasa pärilikkuse säilimisele põlvkondade kaupa.
Kõik keeruliste mitmerakuliste organismide rakud pärinevad ühest embrüonaalsest rakust mitme jagunemise kaudu. Seetõttu on nad kõik pärit samast organismist ja sisaldavad sama geenide koostist. See tähendab, et kui molekulide sünteesil tekib viga, mõjutab see kõiki järgnevaid põlvkondi.
Sarnased näited on meditsiinis laialt tuntud. Lõppude lõpuks sisaldavad sirprakulise aneemia all kannatavate inimeste kõik punased verelibled sama "rikutud" hemoglobiini. Seetõttu saavad lapsed oma vanematelt hälbiva geenikoostise ülekande kaudu nende sugurakkude kaudu.
Geenijärjestuse järgi on aga täna veel praktiliselt võimatu kindlaks teha, kas genoomi dubleerimine toimus õigesti ja vigadeta. Praktikas saab pärimise teel saadud päriliku teabe kvaliteeti teada alles kogu organismi arengu käigus.

Geneetilise teabe replikatsioonikiirus

Teadlased on seda näidanud geneetiline teave DNA dubleerimine toimub koos suur kiirus. Bakterirakkudes on molekulide kahekordistumise kiirus 30 mikronit minutis. Selle lühikese aja jooksul võib viirustes maatriksiahelaga liituda peaaegu 500 nukleotiidi, umbes 900 nukleotiidi. Eukarüootides kulgeb genoomi kahekordistumise protsess aeglasemalt – vaid 1,5–2,5 mikronit minutis. Arvestades aga, et igal kromosoomil on mitu replikatsiooni alguspunkti ja millest igaühest moodustub 2 geenisünteesiharki, toimub geeni täielik replikatsioon mitte rohkem kui tunniga.

Praktiline kasutamine

Mis see on praktiline tähtsus replikatsiooniprotsess? Vastus sellele küsimusele on lihtne – ilma selleta oleks elu võimatu.
Pärast replikatsioonimehhanismi lahtiharutamist tegid teadlased palju avastusi, millest kõige olulisem märgiti ära Nobeli preemia– polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR) meetodi avastamine. Selle avastas 1983. aastal ameeriklane Kary Mullis, kelle peamiseks ülesandeks ja eesmärgiks oli luua tehnika, mis võimaldab spetsiaalse ensüümi – DNA polümeraasi abil korduvalt ja järjestikku replitseerida uuringus vajalikku genoomi fragmenti.
PCR võimaldab replikatsiooni geenimaterjal laboritingimustes ja seda on vaja suure hulga DNA koopiate sünteesimiseks väikesest arvust bioloogilises proovis. Selline geneetilise proovi koguse suurendamine laboris võimaldab seda uurida, mis on põhjuste, diagnostiliste meetodite ja ravimeetodite uurimisel nii vajalik. keerulised haigused(sealhulgas pärilikud ja nakkuslikud).
PCR on leidnud rakendust ka isaduse tuvastamisel, geenide kloonimisel ja uute organismide loomisel.

Paremal on suurim inimese DNA spiraal, mis on ehitatud inimestest Varna (Bulgaaria) rannas ja mis kanti Guinnessi rekordite raamatusse 23. aprillil 2016.

Desoksüribonukleiinhape. Üldine informatsioon

DNA (desoksüribonukleiinhape) on omamoodi eluplaan, keeruline kood, mis sisaldab andmeid päriliku teabe kohta. See keeruline makromolekul on võimeline salvestama ja edastama põlvest põlve pärilikku geneetilist teavet. DNA määrab iga elusorganismi sellised omadused nagu pärilikkus ja muutlikkus. Sellesse kodeeritud teave paneb paika iga elusorganismi kogu arenguprogrammi. Geneetiliselt määratud tegurid määravad nii inimese kui ka iga teise organismi kogu elukäigu. Väliskeskkonna kunstlik või looduslik mõju saab ainult väike kraad mõjutada üksikute geneetiliste tunnuste üldist avaldumist või mõjutada programmeeritud protsesside arengut.

Desoksüribonukleiinhape(DNA) on makromolekul (üks kolmest põhilisest, ülejäänud kaks on RNA ja valgud), mis tagab talletamise, põlvest põlve edasikandmise ning elusorganismide arengu ja funktsioneerimise geneetilise programmi rakendamise. DNA sisaldab teavet erinevat tüüpi RNA ja valkude struktuuri kohta.

Eukarüootsetes rakkudes (loomad, taimed ja seened) leidub DNA-d raku tuumas kromosoomide osana, aga ka osades raku organellides (mitokondrid ja plastiidid). Prokarüootsete organismide (bakterid ja arheed) rakkudes on seestpoolt rakumembraani külge kinnitunud ringikujuline või lineaarne DNA molekul, nn nukleoid. Neis ja madalamates eukarüootides (näiteks pärm) leidub ka väikseid autonoomseid, valdavalt ringikujulisi DNA molekule, mida nimetatakse plasmiidideks.

Keemilisest seisukohast on DNA pikk polümeerimolekul, mis koosneb korduvatest plokkidest, mida nimetatakse nukleotiidideks. Iga nukleotiid koosneb lämmastiku alusest, suhkrust (desoksüriboos) ja fosfaatrühmast. Sidemed ahela nukleotiidide vahel tekivad tänu desoksüriboosile ( KOOS) ja fosfaat ( F) rühmad (fosfodiestersidemed).

Riis. 2. Nukleotiid koosneb lämmastikku sisaldavast alusest, suhkrust (desoksüriboos) ja fosfaatrühmast

Enamikul juhtudel (välja arvatud mõned üheahelalist DNA-d sisaldavad viirused) koosneb DNA makromolekul kahest ahelast, mis on orienteeritud lämmastiku alustega üksteise poole. See kaheahelaline molekul on keerdunud piki spiraali.

DNA-s leidub nelja tüüpi lämmastiku aluseid (adeniin, guaniin, tümiin ja tsütosiin). Ühe ahela lämmastikualused on ühendatud teise ahela lämmastikualustega vesiniksidemetega vastavalt komplementaarsuse põhimõttele: adeniin ühineb ainult tümiiniga ( A-T), guaniin – ainult tsütosiiniga ( G-C). Just need paarid moodustavad DNA spiraalse "trepi" astmed (vt. joon. 2, 3 ja 4).

Riis. 2. Lämmastikku sisaldavad alused

Nukleotiidjärjestus võimaldab teil "kodeerida" teavet selle kohta erinevat tüüpi RNA, millest olulisemad on messenger RNA (mRNA), ribosomaalne RNA (rRNA) ja transport RNA (tRNA). Kõik need RNA tüübid sünteesitakse DNA matriitsil, kopeerides DNA järjestuse transkriptsiooni käigus sünteesitud RNA järjestusse ja osalevad valkude biosünteesis (translatsiooniprotsessis). Lisaks kodeerivatele järjestustele sisaldab raku DNA järjestusi, mis täidavad regulatoorseid ja struktuurseid funktsioone.

Riis. 3. DNA replikatsioon

Põhikombinatsioonide asukoht keemilised ühendid DNA ja nende kombinatsioonide vahelised kvantitatiivsed seosed tagavad päriliku teabe kodeerimise.

Haridus uus DNA (replikatsioon)

1. Replikatsiooniprotsess: DNA kaksikheeliksi lahtikerimine - komplementaarsete ahelate süntees DNA polümeraasi toimel - kahe DNA molekuli moodustumine ühest.
2. Topeltheeliks "lahtineb" kaheks haruks, kui ensüümid lõhuvad sideme keemiliste ühendite aluspaaride vahel.
3. Iga haru on uue DNA element. Uued aluspaarid ühendatakse samas järjestuses nagu emaharus.

Pärast dubleerimise lõppemist moodustuvad kaks sõltumatut heeliksit, mis tekivad algse DNA keemilistest ühenditest ja millel on sama geneetiline kood. Nii on DNA võimeline edastama informatsiooni rakust rakku.

Täpsem info:

NULEIINHAPPETE STRUKTUUR

Riis. 4 . Lämmastiku alused: adeniin, guaniin, tsütosiin, tümiin

Desoksüribonukleiinhape(DNA) viitab nukleiinhapetele. Nukleiinhapped on ebaregulaarsete biopolümeeride klass, mille monomeerideks on nukleotiidid.

NUKLEOTIIDID koosneb lämmastikalus, mis on ühendatud viie süsiniku süsivesikuga (pentoos) - desoksüriboos(DNA puhul) või riboos(RNA puhul), mis ühineb fosforhappe jäägiga (H 2 PO 3 -).

Lämmastikku sisaldavad alused Neid on kahte tüüpi: pürimidiini alused - uratsiil (ainult RNA-s), tsütosiin ja tümiin, puriini alused - adeniin ja guaniin.

Riis. 5. Nukleotiidide struktuur (vasakul), nukleotiidi asukoht DNA-s (all) ja lämmastiku aluste tüübid (paremal): pürimidiin ja puriin

Süsinikuaatomid pentoosi molekulis on nummerdatud 1 kuni 5. Fosfaat ühineb kolmanda ja viienda süsinikuaatomiga. Nii ühendatakse nukleotiidid nukleiinhappeahelaks. Seega saame eristada DNA ahela 3' ja 5' otsa:

Riis. 6. DNA ahela 3' ja 5' otste eraldamine

Moodustuvad kaks DNA ahelat kaksikheeliks. Need spiraalis olevad ketid on suunatud vastassuundades. DNA erinevates ahelates on lämmastiku alused omavahel ühendatud vesiniksidemed. Adeniin paaritub alati tümiiniga ja tsütosiin alati guaniiniga. Seda nimetatakse komplementaarsuse reegel.

Komplementaarsuse reegel:

A-T G-C

Näiteks kui meile antakse DNA ahel koos järjestusega

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

siis teine ​​kett täiendab seda ja on suunatud vastupidises suunas - 5' otsast 3' otsani:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Riis. 7. DNA molekuli ahelate suunamine ja lämmastikaluste ühendamine vesiniksidemete abil

DNA REPLIKATSIOON

DNA replikatsioon on DNA molekuli kahekordistamise protsess matriitsi sünteesi kaudu. Enamikul juhtudel toimub DNA loomulik replikatsioonkruntvärvDNA süntees on lühike fragment (taasloodud). Sellise ribonukleotiidpraimeri loob ensüüm primaas (DNA primaas prokarüootides, DNA polümeraas eukarüootides) ja seejärel asendatakse desoksüribonukleotiidpolümeraasiga, mis tavaliselt täidab parandusfunktsioone (korrigeerib keemilisi kahjustusi ja katkestusi DNA molekulis).

Replikatsioon toimub poolkonservatiivse mehhanismi järgi. See tähendab, et DNA kaksikheeliks keerdub lahti ja igale selle ahelale ehitatakse komplementaarsuse põhimõttel uus ahel. Tütar-DNA molekul sisaldab seega ühte lähtemolekuli ahelat ja ühte äsja sünteesitud ahelat. Replikatsioon toimub emaahela 3'-5'-otsa suunas.

Riis. 8. DNA molekuli replikatsioon (kahekordistumine).

DNA süntees- see pole nii keeruline protsess, kui esmapilgul võib tunduda. Kui järele mõelda, peate kõigepealt välja mõtlema, mis on süntees. See on millegi üheks tervikuks ühendamise protsess. Uue DNA molekuli moodustumine toimub mitmes etapis:

1) DNA topoisomeraas, mis asub replikatsioonikahvli ees, lõikab DNA ära, et hõlbustada selle lahti- ja lahtikerimist.
2) DNA helikaas, järgneb topoisomeraasile, mõjutab DNA heeliksi lahtipunumisprotsessi.
3) DNA-d siduvad valgud seovad DNA ahelaid ja ka stabiliseerivad neid, vältides nende kleepumist üksteise külge.
4) DNA polümeraas δ(delta) , mis on kooskõlastatud replikatsioonikahvli liikumiskiirusega, teostab sünteesijuhtivketid tütarettevõte DNA maatriksil 5"→3" suunas emalik DNA ahelad selle 3" otsast 5" otsani (kiirus kuni 100 nukleotiidipaari sekundis). Need sündmused sel ajal emalik DNA ahelad on piiratud.

Riis. 9. DNA replikatsiooniprotsessi skemaatiline esitus: (1) mahajäänud ahel (leading ahel), (2) juhtiv ahel (juhtahel), (3) DNA polümeraas α (Polα), (4) DNA ligaas, (5) RNA -praimer, (6) primaas, (7) Okazaki fragment, (8) DNA polümeraas δ (Polδ), (9) helikaas, (10) üheahelalised DNA-d siduvad valgud, (11) topoisomeraas.

Tütar-DNA mahajäänud ahela sünteesi kirjeldatakse allpool (vt. Skeem replikatsioonikahvel ja replikatsiooniensüümide funktsioonid)

DNA replikatsiooni kohta lisateabe saamiseks vt

5) Kohe pärast emamolekuli teise ahela lahtiharutamist ja stabiliseerumist kinnitatakse see selle külgeDNA polümeraas α(alfa)ja 5"→3" suunas sünteesib praimeri (RNA praimer) - RNA järjestuse DNA matriitsil pikkusega 10 kuni 200 nukleotiidi. Pärast seda ensüümeemaldati DNA ahelast.

Selle asemel DNA polümeraasidα on kinnitatud krundi 3-tollise otsa külge DNA polümeraasε .

6) DNA polümeraasε (epsilon) tundub, et jätkab kruntvärvi pikendamist, kuid sisestab selle substraadinadesoksüribonukleotiidid(150-200 nukleotiidi ulatuses). Selle tulemusena moodustub kahest osast üks niit -RNA(st kruntvärv) ja DNA. DNA polümeraas εtöötab seni, kuni kohtab eelmist praimeritOkazaki fragment(sünteesitud veidi varem). Pärast seda eemaldatakse see ensüüm ahelast.

7) DNA polümeraas β(beeta) seisab selle asemelDNA polümeraas ε,liigub samas suunas (5"→3") ja eemaldab praimerribonukleotiidid, sisestades samal ajal nende asemele desoksüribonukleotiidid. Ensüüm toimib seni, kuni praimer on täielikult eemaldatud, s.t. kuni desoksüribonukleotiidini (veelgi varem sünteesitudDNA polümeraas ε). Ensüüm ei suuda oma töö tulemust ees oleva DNA-ga ühendada, mistõttu läheb see ahelast välja.

Selle tulemusena "lemab" tütar-DNA fragment emaahela maatriksil. Seda nimetatakseOkazaki fragment.

8) DNA ligaas seob kaks kõrvuti asetsevat Okazaki killud , st. 5" sünteesitud segmendi otsDNA polümeraas ε,ja sisseehitatud 3-tolline kettDNA polümeraasβ .

RNA STRUKTUUR

Ribonukleiinhape(RNA) on üks kolmest peamisest makromolekulist (ülejäänud kaks on DNA ja valgud), mida leidub kõigi elusorganismide rakkudes.

Nii nagu DNA, koosneb RNA pikast ahelast, milles iga lüli nimetatakse nukleotiid. Iga nukleotiid koosneb lämmastiku alusest, riboossuhkrust ja fosfaatrühmast. Kuid erinevalt DNA-st on RNA-l tavaliselt üks ahel, mitte kaks. RNA-s sisalduv pentoos on riboos, mitte desoksüriboos (riboosi teisel süsivesikuaatomil on täiendav hüdroksüülrühm). Lõpuks erineb DNA RNA-st lämmastikualuste koostise poolest: tümiini asemel ( T RNA sisaldab uratsiili ( U) , mis on samuti täiendav adeniiniga.

Nukleotiidide järjestus võimaldab RNA-l kodeerida geneetilist teavet. Kõik rakulised organismid kasutavad valgusünteesi programmeerimiseks RNA-d (mRNA).

Raku RNA-d toodetakse protsessi kaudu, mida nimetatakse transkriptsioon st RNA süntees DNA maatriksil, mida teostavad spetsiaalsed ensüümid - RNA polümeraasid.

Messenger RNA-d (mRNA-d) osalevad seejärel protsessis, mida nimetatakse saade, need. valkude süntees mRNA maatriksil ribosoomide osalusel. Teised RNA-d läbivad pärast transkriptsiooni keemilisi modifikatsioone ning pärast sekundaarsete ja tertsiaarsete struktuuride moodustumist täidavad nad funktsioone sõltuvalt RNA tüübist.

Riis. 10. DNA ja RNA erinevus lämmastikaluses: tümiini (T) asemel sisaldab RNA uratsiili (U), mis on samuti komplementaarne adeniiniga.

TRANSKRIPTSIOON

See on RNA sünteesi protsess DNA matriitsil. DNA rullub ühes kohas lahti. Üks ahelatest sisaldab teavet, mis tuleb RNA molekulile kopeerida – seda ahelat nimetatakse kodeerivaks ahelaks. DNA teist ahelat, mis on komplementaarne kodeerivaga, nimetatakse matriitsiks. Transkriptsiooni käigus sünteesitakse matriitsi ahelal 3’ - 5’ suunas (mööda DNA ahelat) komplementaarne RNA ahel. See loob kodeeriva ahela RNA koopia.

Riis. 11. Transkriptsiooni skemaatiline esitus

Näiteks kui meile antakse kodeerimisahela järjestus

3'- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

siis vastavalt komplementaarsuse reeglile kannab maatriksahel järjestust

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

ja sellest sünteesitud RNA on järjestus

SAATE

Mõelgem mehhanismile valkude süntees RNA maatriksil, samuti geneetiline kood ja selle omadused. Selguse huvides soovitame alloleval lingil vaadata ka lühikest videot elusrakus toimuvate transkriptsiooni- ja translatsiooniprotsesside kohta:

Riis. 12. Valkude sünteesi protsess: DNA kodeerib RNA-d, RNA kodeerib valku

GENEETILINE KOOD

Geneetiline kood- meetod valkude aminohappejärjestuse kodeerimiseks, kasutades nukleotiidide järjestust. Iga aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus – koodon või triplett.

Geneetiline kood, mis on ühine enamikule pro- ja eukarüootidele. Tabelis on näidatud kõik 64 koodonit ja vastavad aminohapped. Alusjärjestus on mRNA 5" kuni 3" otsast.

Tabel 1. Standardne geneetiline kood

1 alus mine	2. alus								3 alus mine
	U		C		A		G
U	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	U G U	(Cys/C)	U
	U U C		U C C		U A C		U G C		C
	U U A	(Leu/L)	U C A		U A A	Peata koodon**	U G A	Peata koodon**	A
	U U G		U C G		U A G	Peata koodon**	U G G	(Trp/W)	G
C	C U U		C C U	(Pro/P)	C A U	(Tema/H)	C G U	(Arg/R)	U
	C U C		C C C		C A C		C G C		C
	C U A		C C A		C A A	(Gln/Q)	C GA		A
	C U G		C C G		C A G		C G G		G
A	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	U
	A U C		A C C		A A C		A G C		C
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	A G A		A
	A U G	(Met/M)	A C G		A A G		A G G		G
G	G U U	(Val/V)	G C U	(Ala/A)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	U
	G U C		G C C		G A C		G G C		C
	G U A		G C A		G A A	(Glu/E)	G G A		A
	G U G		G C G		G A G		G G G		G

Kolmikute hulgas on 4 spetsiaalset jada, mis toimivad kirjavahemärkidena:

• *Kolmik AUG, mis kodeerib ka metioniini, nimetatakse alguskoodon. Sellest koodonist algab valgumolekuli süntees. Seega on valgusünteesi ajal järjestuse esimene aminohape alati metioniin.

• ** Kolmikud UAA, UAG Ja U.G.A. kutsutakse stoppkoodonid ja ei kodeeri ühtki aminohapet. Nende järjestuste korral valkude süntees peatub.

Omadused geneetiline kood

1. Kolmik. Iga aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus – triplett või koodon.

2. Järjepidevus. Kolmikute vahel ei ole täiendavaid nukleotiide, teavet loetakse pidevalt.

3. Mittekattuvus. Ühte nukleotiidi ei saa korraga kaasata kahte kolmikusse.

4. Ühemõttelisus. Üks koodon võib kodeerida ainult ühte aminohapet.

5. Degeneratsioon. Ühte aminohapet võib kodeerida mitu erinevat koodonit.

6. Mitmekülgsus. Geneetiline kood on kõigil elusorganismidel sama.

Näide. Meile antakse kodeerimisahela järjestus:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Maatriksahelal on järgmine järjestus:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Nüüd "sünteesime" sellest ahelast teabe RNA:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Valgu süntees toimub 5' → 3' suunas, seetõttu peame geneetilise koodi "lugemiseks" järjestuse ümber pöörama:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Nüüd leiame stardikoodoni AUG:

5’- AU AUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Jagame jada kolmikuteks:

kõlab nii: teave kantakse DNA-st RNA-sse (transkriptsioon), RNA-st valgusse (translatsioon). DNA-d saab dubleerida ka replikatsiooni teel ja võimalik on ka pöördtranskriptsiooni protsess, kui DNA sünteesitakse RNA matriitsist, kuid see protsess on iseloomulik peamiselt viirustele.

Riis. 13. Molekulaarbioloogia keskne dogma

GENOOM: GEENID ja KROMOSOOMID

(üldmõisted)

Genoom – organismi kõigi geenide kogum; selle täielik kromosoomikomplekt.

Termini "genoom" pakkus G. Winkler 1920. aastal välja ühe bioloogilise liigi organismide haploidses kromosoomide komplektis sisalduvate geenide komplekti kirjeldamiseks. Selle mõiste algne tähendus viitas sellele, et genoomi mõiste on erinevalt genotüübist liigi kui terviku, mitte üksikisiku geneetiline tunnus. Molekulaargeneetika arenguga on selle mõiste tähendus muutunud. On teada, et DNA, mis on enamikus organismides geneetilise teabe kandja ja seega genoomi aluseks, ei hõlma ainult geene selle sõna tänapäevases tähenduses. Enamik Eukarüootsete rakkude DNA-d esindavad mittekodeerivad ("liigsed") nukleotiidjärjestused, mis ei sisalda teavet valkude ja nukleiinhapped. Seega moodustab mis tahes organismi genoomi põhiosa selle haploidse kromosoomikomplekti kogu DNA.

Geenid on DNA molekulide lõigud, mis kodeerivad polüpeptiide ja RNA molekule

Viimase sajandi jooksul on meie arusaam geenidest oluliselt muutunud. Varem oli genoom kromosoomi piirkond, mis kodeerib või määratleb üht tunnust või fenotüüpne(nähtav) omadus, näiteks silmade värv.

1940. aastal pakkusid George Beadle ja Edward Tatham välja geeni molekulaarse määratluse. Teadlased töötlesid seente eoseid Neurospora crassa Röntgenikiirgus ja muud ained, mis põhjustavad muutusi DNA järjestuses ( mutatsioonid) ja avastasid seene mutantsed tüved, mis olid kaotanud mõned spetsiifilised ensüümid, mis mõnel juhul põhjustas kogu metaboolse raja katkemise. Beadle ja Tatem jõudsid järeldusele, et geen on osa geneetilisest materjalist, mis määrab või kodeerib ühte ensüümi. Nii tekkis hüpotees "üks geen - üks ensüüm". Seda mõistet laiendati hiljem määratlemiseks "üks geen - üks polüpeptiid", kuna paljud geenid kodeerivad valke, mis ei ole ensüümid, ja polüpeptiid võib olla kompleksse valgukompleksi subühik.

Joonisel fig. Joonisel 14 on näidatud diagramm, kuidas DNA nukleotiidide kolmikud määravad mRNA vahendusel polüpeptiidi – valgu aminohappejärjestuse. Üks DNA ahelatest täidab mRNA sünteesi matriitsi rolli, mille nukleotiidkolmikud (koodonid) on komplementaarsed DNA kolmikutega. Mõnes bakteris ja paljudes eukarüootides katkestavad kodeerivad järjestused mittekodeerivate piirkondadega (nn. intronid).

Kaasaegne geeni biokeemiline määramine veelgi spetsiifilisem. Geenid on kõik DNA lõigud, mis kodeerivad lõppsaaduste primaarset järjestust, sealhulgas polüpeptiide või RNA-d, millel on struktuurne või katalüütiline funktsioon.

Lisaks geenidele sisaldab DNA ka muid järjestusi, mis täidavad eranditult reguleerivat funktsiooni. Reguleerivad järjestused võib tähistada geenide algust või lõppu, mõjutada transkriptsiooni või näidata replikatsiooni või rekombinatsiooni alguskohta. Mõnda geeni saab ekspresseerida erineval viisil, kusjuures sama DNA piirkond toimib mallina erinevate toodete moodustamisel.

Saame umbkaudu arvutada minimaalne geeni suurus, mis kodeerib keskmist valku. Iga polüpeptiidahela aminohapet kodeerib kolmest nukleotiidist koosnev järjestus; nende kolmikute (koodonite) järjestused vastavad selle geeni poolt kodeeritud polüpeptiidi aminohapete ahelale. 350 aminohappejäägist koosnev polüpeptiidahel (keskmise pikkusega ahel) vastab 1050 aluspaari pikkusele järjestusele. ( aluspaarid). Paljud eukarüootsed geenid ja mõned prokarüootsed geenid on aga katkenud DNA segmentidega, mis ei kanna valguinfot ja osutuvad seetõttu palju pikemaks, kui lihtne arvutus näitab.

Mitu geeni on ühes kromosoomis?

Riis. 15. Vaade kromosoomidest prokarüootsetes (vasakul) ja eukarüootsetes rakkudes. Histoonid on suur tuumavalkude klass, mis täidavad kahte põhifunktsiooni: nad osalevad DNA ahelate pakendamisel tuumas ja tuumaprotsesside, nagu transkriptsioon, replikatsioon ja parandamine, epigeneetilises reguleerimises.

Nagu teada, bakterirakud neil on kromosoom DNA ahela kujul, mis on paigutatud kompaktsesse struktuuri - nukleoidi. Prokarüootne kromosoom Escherichia coli, mille genoom on täielikult dešifreeritud, on ringikujuline DNA molekul (tegelikult pole see täiuslik ring, vaid pigem silmus ilma alguse ja lõputa), mis koosneb 4 639 675 aluspaarist. See järjestus sisaldab ligikaudu 4300 valgugeeni ja veel 157 geeni stabiilsete RNA molekulide jaoks. IN inimese genoom ligikaudu 3,1 miljardit aluspaari, mis vastavad peaaegu 29 000 geenile, mis asuvad 24 erinevas kromosoomis.

Prokarüootid (bakterid).

Bakter E. coli sellel on üks kaheahelaline tsirkulaarne DNA molekul. See koosneb 4 639 675 bp-st. ja ulatub ligikaudu 1,7 mm pikkuseks, mis ületab raku enda pikkuse E. coli umbes 850 korda. Lisaks nukleoidi osaks olevale suurele ringikujulisele kromosoomile sisaldavad paljud bakterid ühte või mitut väikest ringikujulist DNA molekuli, mis paiknevad vabalt tsütosoolis. Neid kromosoomiväliseid elemente nimetatakse plasmiidid(joonis 16).

Enamik plasmiide ​​koosneb vaid mõnest tuhandest aluspaarist, mõned sisaldavad rohkem kui 10 000 aluspaari. Nad kannavad geneetilist teavet ja paljunevad, moodustades tütarplasmiide, mis sisenevad tütarrakkudesse vanemraku jagunemise ajal. Plasmiide ​​ei leidu mitte ainult bakterites, vaid ka pärmis ja teistes seentes. Paljudel juhtudel ei anna plasmiidid peremeesrakkudele kasu ja nende ainus eesmärk on paljuneda iseseisvalt. Mõned plasmiidid kannavad siiski peremeesorganismile kasulikke geene. Näiteks võivad plasmiidides sisalduvad geenid muuta bakterirakud antibakteriaalsete ainete suhtes resistentseks. β-laktamaasi geeni kandvad plasmiidid tagavad resistentsuse β-laktaamantibiootikumide, nagu penitsilliin ja amoksitsilliin, suhtes. Plasmiidid võivad kanduda antibiootikumide suhtes resistentsetest rakkudest teistesse sama või erinevat liiki bakterite rakkudesse, põhjustades ka nende rakkude resistentsuse muutumist. Antibiootikumide intensiivne kasutamine on võimas selektiivne tegur, mis soodustab antibiootikumiresistentsust kodeerivate plasmiidide (samuti sarnaseid geene kodeerivate transposoonide) levikut patogeensete bakterite seas, mis viib mitme antibiootikumi suhtes resistentsete bakteritüvede tekkeni. Arstid on hakanud mõistma antibiootikumide laialdase kasutamise ohtusid ja määravad neid välja ainult kiireloomulise vajaduse korral. Sarnastel põhjustel on antibiootikumide laialdane kasutamine põllumajandusloomade raviks piiratud.

Vaata ka: Ravin N.V., Shestakov S.V. Prokarüootide genoom // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. T. 17. Nr 4/2. lk 972-984.

Eukarüootid.

Tabel 2. Mõnede organismide DNA, geenid ja kromosoomid

	Jagatud DNA p.n.	Kromosoomide arv*	Ligikaudne geenide arv
Escherichia coli(bakter)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae(pärm)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(nematood)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana(taim)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster(puuviljakärbes)	120 367 260		20 000
Oryza sativa(riis)	480 000 000		57 000
Musculus(hiir)	2 634 266 500		27 000
Homo sapiens(Inimene)	3 070 128 600		29 000

Märge. Infot uuendatakse pidevalt; Ajakohase teabe saamiseks vaadake üksikute genoomikaprojektide veebisaite

* Kõigi eukarüootide jaoks, välja arvatud pärm, on antud kromosoomide diploidne komplekt. Diploidne komplekt kromosoomid (kreeka keelest diploos - double ja eidos - liigid) - topeltkromosoomide komplekt (2n), millest igaühel on homoloogne.
**Haploidne komplekt. Metsikutel pärmitüvedel on tavaliselt kaheksa (oktaploidne) või enam nende kromosoomide komplekti.
***Kahe X-kromosoomiga naistele. Meestel on X-kromosoom, kuid mitte Y-kromosoomi, st ainult 11 kromosoomi.

Pärmis, mis on üks väiksemaid eukarüoote, on 2,6 korda rohkem DNA-d kui E. coli(Tabel 2). Puuviljakärbse rakud Drosophila, mis on klassikaline geeniuuringute objekt, sisaldab 35 korda rohkem DNA-d ja inimese rakud sisaldavad ligikaudu 700 korda rohkem DNA-d kui E. coli. Paljud taimed ja kahepaiksed sisaldavad veelgi rohkem DNA-d. Eukarüootsete rakkude geneetiline materjal on organiseeritud kromosoomide kujul. Diploidne kromosoomide komplekt (2 n) oleneb organismi tüübist (tabel 2).

Näiteks sisse somaatiline rakk inimese 46 kromosoomi ( riis. 17). Eukarüootse raku iga kromosoom, nagu on näidatud joonisel fig. 17, A, sisaldab ühte väga suurt kaheahelalist DNA molekuli. Inimese 24 kromosoomi (22 paariskromosoomi ja kaks sugukromosoomi X ja Y) erinevad pikkused rohkem kui 25 korda. Iga eukarüootne kromosoom sisaldab kindlat geenide komplekti.

Riis. 17. Eukarüootide kromosoomid.A- paar seotud ja kondenseerunud sõsarkromatiide inimese kromosoomist. Sellisel kujul jäävad eukarüootsed kromosoomid pärast replikatsiooni ja metafaasi mitoosi ajal. b- täielik kromosoomide komplekt ühe raamatu autori leukotsüütidest. Iga normaalne inimese somaatiline rakk sisaldab 46 kromosoomi.

Kui ühendada inimese genoomi DNA molekulid (22 kromosoomi ja kromosoomi X ja Y või X ja X), saate umbes ühe meetri pikkuse järjestuse. Märkus. Kõigil imetajatel ja muudel heterogameetilistel isasorganismidel on emastel kaks X-kromosoomi (XX) ja isastel üks X-kromosoom ja üks Y-kromosoom (XY).

Enamik inimrakke, seega on selliste rakkude DNA kogupikkus umbes 2 m. Täiskasvanud inimesel on ligikaudu 10 14 rakku, seega on kõigi DNA molekulide kogupikkus 2…10 11 km. Võrdluseks võib tuua, et Maa ümbermõõt on 4 ・ 10 4 km ja kaugus Maast Päikeseni on 1,5 ・ 10 8 km. Nii on meie rakkudesse pakitud hämmastavalt kompaktne DNA!

Eukarüootsetes rakkudes on ka teisi DNA-d sisaldavaid organelle – mitokondrid ja kloroplastid. Mitokondriaalse ja kloroplasti DNA päritolu kohta on esitatud palju hüpoteese. Tänapäeval on üldtunnustatud seisukoht, et need esindavad iidsete bakterite kromosoomide algeid, mis tungisid peremeesrakkude tsütoplasmasse ja said nende organellide eelkäijateks. Mitokondriaalne DNA kodeerib mitokondriaalseid tRNA-sid ja rRNA-sid, samuti mitmeid mitokondriaalseid valke. Rohkem kui 95% mitokondriaalsetest valkudest on kodeeritud tuuma DNA poolt.

GEENIDE STRUKTUUR

Vaatleme geeni struktuuri prokarüootides ja eukarüootides, nende sarnasusi ja erinevusi. Vaatamata sellele, et geen on DNA osa, mis kodeerib ainult ühte valku või RNA-d, sisaldab see lisaks vahetule kodeerivale osale ka regulatiivseid jm. konstruktsioonielemendid, millel on prokarüootides ja eukarüootides erinev struktuur.

Kodeerimise järjestus- geeni peamine struktuurne ja funktsionaalne üksus, selles asuvad kodeerivad nukleotiidide kolmikudaminohappejärjestus. See algab alguskoodoniga ja lõpeb stoppkoodoniga.

Enne ja pärast kodeerimisjärjestust on olemas transleerimata 5' ja 3' järjestused. Nad täidavad reguleerivaid ja abifunktsioone, näiteks tagavad ribosoomi maandumise mRNA-le.

Transleerimata ja kodeerivad järjestused moodustavad transkriptsiooniüksuse – DNA transkribeeritud osa, st DNA osa, millest toimub mRNA süntees.

Terminaator- transkribeerimata DNA osa geeni lõpus, kus RNA süntees peatub.

Geeni alguses on reguleeriv piirkond, mis sisaldab promootor Ja operaator.

Promootor- järjestus, millega polümeraas seondub transkriptsiooni initsiatsiooni ajal. Operaator- see on piirkond, millega võivad seonduda spetsiaalsed valgud - repressorid, mis võib sellest geenist RNA sünteesi aktiivsust vähendada – teisisõnu vähendada väljendus.

Geeni struktuur prokarüootides

Prokarüootide ja eukarüootide geenistruktuuri üldplaan ei erine – mõlemad sisaldavad regulatoorset piirkonda promootori ja operaatoriga, kodeerivate ja transleerimata järjestustega transkriptsiooniüksust ning terminaatorit. Geenikorraldus erineb aga prokarüootide ja eukarüootide vahel.

Riis. 18. Prokarüootide (bakterite) geenistruktuuri skeem -pilt on suurendatud

Operoni alguses ja lõpus on mitme struktuurigeeni jaoks ühised regulatsioonipiirkonnad. Operoni transkribeeritud piirkonnast loetakse üks mRNA molekul, mis sisaldab mitmeid kodeerivaid järjestusi, millest igaühel on oma algus- ja lõppkoodon. Igast neist piirkondadest koossünteesitakse üks valk. Seega Ühest mRNA molekulist sünteesitakse mitu valgumolekuli.

Prokarüoote iseloomustab mitme geeni ühendamine üheks funktsionaalne üksus -operon. Operoni tööd saavad reguleerida teised geenid, mis võivad olla operonist endast märgatavalt kaugel - regulaatorid. Sellest geenist tõlgitud valku nimetatakse repressor. See seostub operoni operaatoriga, reguleerides kõigi selles sisalduvate geenide ekspressiooni korraga.

See nähtus iseloomustab ka prokarüoote transkriptsiooni-tõlke sidestus.

Riis. 19 Transkriptsiooni ja translatsiooni sidumise nähtus prokarüootides - pilt on suurendatud

Sellist sidumist eukarüootides ei toimu tuumaümbrise olemasolu tõttu, mis eraldab tsütoplasma, kus toimub translatsioon, geneetilisest materjalist, millel transkriptsioon toimub. Prokarüootides saab RNA sünteesi ajal DNA matriitsil ribosoom koheselt seonduda sünteesitud RNA molekuliga. Seega algab tõlkimine isegi enne transkriptsiooni lõpetamist. Veelgi enam, mitu ribosoomi võivad üheaegselt seonduda ühe RNA molekuliga, sünteesides korraga mitu ühe valgu molekuli.

Geeni struktuur eukarüootides

Eukarüootide geenid ja kromosoomid on väga keeruliselt organiseeritud

Paljudel bakteriliikidel on ainult üks kromosoom ja peaaegu kõigil juhtudel on igas kromosoomis iga geeni üks koopia. Vaid mõned geenid, näiteks rRNA geenid, on leitud mitmes koopias. Geenid ja regulatoorsed järjestused moodustavad peaaegu kogu prokarüootse genoomi. Pealegi vastab peaaegu iga geen rangelt selle kodeeritavale aminohappejärjestusele (või RNA järjestusele) (joonis 14).

Struktuursed ja funktsionaalne organisatsioon Eukarüootsed geenid on palju keerulisemad. Eukarüootsete kromosoomide uurimine ja hiljem täielike eukarüootsete genoomijärjestuste järjestamine tõi kaasa palju üllatusi. Paljudel, kui mitte enamikul eukarüootsetel geenidel on huvitav omadus: nende nukleotiidjärjestused sisaldavad ühte või mitut DNA lõiku, mis ei kodeeri polüpeptiidiprodukti aminohappejärjestust. Sellised transleerimata insertsioonid katkestavad otsese vastavuse geeni nukleotiidjärjestuse ja kodeeritud polüpeptiidi aminohappejärjestuse vahel. Neid geenides olevaid tõlkimata segmente nimetatakse intronid, või sisseehitatud järjestused, ja kodeerimissegmendid on eksonid. Prokarüootides sisaldavad introneid vaid mõned geenid.

Nii et eukarüootides geenide kombinatsiooni operoniteks praktiliselt ei toimu ja eukarüootse geeni kodeeriv järjestus jaguneb enamasti transleeritud piirkondadeks. - eksonid ja tõlkimata jaotised - intronid.

Enamikul juhtudel ei ole intronite funktsioon kindlaks tehtud. Üldiselt on ainult umbes 1,5% inimese DNA-st "kodeeriv", see tähendab, et see kannab teavet valkude või RNA kohta. Võttes aga arvesse suuri introneid, selgub, et inimese DNA koosneb 30% geenidest. Kuna geenid moodustavad suhteliselt väikese osa inimese genoomist, jääb märkimisväärne osa DNA-st arvestamata.

Riis. 16. Eukarüootide geenistruktuuri skeem - pilt on suurendatud

Igast geenist sünteesitakse esmalt ebaküps ehk pre-RNA, mis sisaldab nii introneid kui ka eksoneid.

Pärast seda toimub splaissimise protsess, mille tulemusena introonsed piirkonnad lõigatakse välja ja moodustub küps mRNA, millest saab sünteesida valku.

Riis. 20. Alternatiivne splaissimisprotsess - pilt on suurendatud

Selline geenide organiseeritus võimaldab näiteks aru saada, millal saab ühte geeni sünteesida erinevad kujud valk, mis on tingitud asjaolust, et splaissimise ajal saab eksoneid kokku õmmelda erinevates järjestustes.

Riis. 21. Prokarüootide ja eukarüootide geenide ehituse erinevused - pilt on suurendatud

MUTATSIOONID JA MUTAGEES

Mutatsioon nimetatakse genotüübi püsivaks muutuseks, st nukleotiidjärjestuse muutuseks.

Protsessi, mis viib mutatsioonideni, nimetatakse mutagenees, ja keha Kõik kelle rakud kannavad sama mutatsiooni - mutant.

Mutatsiooniteooria esmakordselt sõnastas Hugo de Vries 1903. aastal. Selle kaasaegne versioon sisaldab järgmisi sätteid:

1. Mutatsioonid tekivad äkki, spasmiliselt.

2. Mutatsioonid kanduvad edasi põlvest põlve.

3. Mutatsioonid võivad olla kasulikud, kahjulikud või neutraalsed, domineerivad või retsessiivsed.

4. Mutatsioonide tuvastamise tõenäosus sõltub uuritud isendite arvust.

5. Sarnased mutatsioonid võivad esineda korduvalt.

6. Mutatsioonid ei ole suunatud.

Mutatsioonid võivad tekkida erinevate tegurite mõjul. On mutatsioone, mis tekivad mõjul mutageenne mõjusid: füüsiline (näiteks ultraviolett või kiirgus), keemiline (näiteks kolhitsiin või reaktiivsed hapniku liigid) ja bioloogiline (näiteks viirused). Samuti võivad tekkida mutatsioonid replikatsiooni vead.

Sõltuvalt mutatsioonide ilmnemise tingimustest jagatakse mutatsioonid spontaanne- see tähendab mutatsioone, mis tekkisid aastal normaalsetes tingimustes, Ja indutseeritud- see tähendab eritingimustel tekkinud mutatsioone.

Mutatsioonid võivad tekkida mitte ainult tuuma DNA-s, vaid ka näiteks mitokondriaalses või plastiidi DNA-s. Vastavalt sellele saame eristada tuumaenergia Ja tsütoplasmaatiline mutatsioonid.

Mutatsioonide tulemusena võivad sageli tekkida uued alleelid. Kui mutantne alleel pärsib normaalse toime, nimetatakse mutatsiooniks domineeriv. Kui normaalne alleel surub alla mutantset alleeli, nimetatakse seda mutatsiooni retsessiivne. Enamik mutatsioone, mis viivad uute alleelide tekkeni, on retsessiivsed.

Mutatsioone eristatakse efekti järgi kohanemisvõimeline mis suurendab organismi kohanemisvõimet keskkonnaga, neutraalne mis ei mõjuta ellujäämist, kahjulikud, vähendades organismide kohanemisvõimet keskkonnatingimustega ja surmav mis viib organismi surmani varajased staadiumid arengut.

Vastavalt tagajärgedele põhjustavad mutatsioonid valgu funktsiooni kaotus, mutatsioonid, mis põhjustavad tekkimine orav uus funktsioon , samuti mutatsioonid, mis muuta geeni annust, ja vastavalt sellest sünteesitud valgu annus.

Mutatsioon võib tekkida igas keharakus. Kui sugurakus toimub mutatsioon, nimetatakse seda idune(germinaalne või generatiivne). Sellised mutatsioonid ei ilmne organismis, milles nad ilmnesid, vaid viivad mutantide ilmnemiseni järglastes ja on päritavad, seega on need geneetika ja evolutsiooni seisukohalt olulised. Kui mutatsioon toimub mõnes teises rakus, nimetatakse seda somaatiline. Selline mutatsioon võib ühel või teisel määral avalduda organismis, milles see tekkis, näiteks viia selle tekkeni. vähkkasvajad. Selline mutatsioon ei ole aga päritav ega mõjuta järeltulijaid.

Mutatsioonid võivad mõjutada erineva suurusega genoomi piirkondi. Tõstke esile geneetiline, kromosomaalne Ja genoomne mutatsioonid.

Geenimutatsioonid

Nimetatakse mutatsioone, mis esinevad ühest geenist väiksemal skaalal geneetiline, või punkt (punkt). Sellised mutatsioonid põhjustavad muutusi järjestuses ühes või mitmes nukleotiidis. Geenmutatsioonide hulgas onasendused, mis viib ühe nukleotiidi asendamiseni teisega,kustutamised, mis viib ühe nukleotiidi kadumiseni,sisestusi, mis viib järjestusele täiendava nukleotiidi lisamiseni.

Riis. 23. Geeni (punkt) mutatsioonid

Vastavalt valgu toimemehhanismile, geenimutatsioonid jagatud:sünonüüm, mis (geneetilise koodi degeneratsiooni tulemusena) ei too kaasa valguprodukti aminohappelise koostise muutumist,missense mutatsioonid, mis viivad ühe aminohappe asendamiseni teisega ja võivad mõjutada sünteesitud valgu struktuuri, kuigi need on sageli ebaolulised,mõttetud mutatsioonid, mis viib kodeeriva koodoni asendamiseni stoppkoodoniga,mutatsioonid, mis põhjustavad splaissimise häire:

Riis. 24. Mutatsioonimustrid

Samuti eristatakse valgu toimemehhanismi järgi mutatsioone, mis põhjustavad raami nihe lugemist, nagu sisestused ja kustutamised. Sellised mutatsioonid, nagu nonsenssmutatsioonid, kuigi need esinevad geeni ühes punktis, mõjutavad sageli kogu valgu struktuuri, mis võib viia selle struktuuri täieliku muutumiseni.

Riis. 29. Kromosoom enne ja pärast dubleerimist

Genoomsed mutatsioonid

Lõpuks genoomsed mutatsioonid mõjutada kogu genoomi, st kromosoomide arv muutub. On polüploidiad - raku ploidsuse suurenemine ja aneuploidiad, see tähendab kromosoomide arvu muutus, näiteks trisoomia (täiendava homoloogi olemasolu ühes kromosoomides) ja monosoomia (kromosoomide puudumine). kromosoomi homoloog).

Video DNA-st

DNA REPLIKATSIOON, RNA kodeerimine, VALGU SÜNTEES

Saab. Küsimus on selles, kui lihtne

DNA koosneb kahest ahelast, mis on omavahel ühendatud üsna nõrga sidemega (vesiniksillad), mis on keerdunud spiraaliks. Iga ahel on spetsiaalsete komplekssete ainete jada, mida nimetatakse nukleotiidideks ja mille põhiosa moodustab lämmastiku alus. DNA-d on nelja tüüpi: A (adeniin), T (tüümiin), G (guaniin), C (tsütosiin). Nukleotiidid vastandlikes DNA ahelates ei ole paigutatud juhuslikult, vaid teatud põhimõttel (komplementaarsus): “A” ühendub “T-ga”, “G” ühendub “C-ga”. Tegelikult kannab ainult üks ahel geneetilist teavet ja teist on vaja selleks, et esimest parandada, kui midagi juhtub (vastavalt komplementaarsuse põhimõttele)

Nüüd enese kahekordistamisest. Selle protsessi teaduslik nimetus on replikatsioon, mis tekitab kaks DNA molekuli, kuid iga uus DNA sisaldab ühte vana lähteahelat (poolkonservatiivne mehhanism).

Väärib märkimist, et mittetuumalistes organismides (prokarüootides) ja tuumaga organismides (eukarüootides) toimub see protsess sarnaselt, kuid erinevate ensüümide osalusel. Igaks juhuks ütlen, et ensüüm on valgu molekul, mis täidab teatud kindlat biokeemilist funktsiooni.

Niisiis, kõigepealt peate spiraali lahti kerima, selleks on spetsiaalne ensüüm (topoisomeraas), mis liigub mööda DNA ahelaid sirgendades neid enda taga, kuid samal ajal keerates need enda ette tugevamaks, kui keerdumise aste. saavutab teatud kriitilise piiri, lõikab topoisomeraas ühe keti läbi ja tänu lahtikerimisele vähendab pinget, siis õmbleb uuesti ja liigub edasi. Koos sellega toimib teine ​​ensüüm (helikaas), mis hävitab sirgendatud DNA ahelate vahelised vesiniksidemed, misjärel need lahknevad erinevad küljed.

Lisaks toimub protsess erinevustega: on juhtiv ahel ja mahajäänud ahel.
Lahtikerimise suunas juhtivale ahelale lisatakse nukleotiide ensüüm DNA polümeraas 3 vastavalt komplementaarsuse põhimõttele - üks DNA molekul on valmis.

Mahajäänud ketis on kõik keerulisem. DNA polümeraasidel on kaks ebameeldivat omadust: esiteks on nad võimelised liikuma mööda DNA ahelaid ainult teatud suunas ja kui juhtahelal oli see liikumine lahtikerimise suunas, siis mahajäänud ahelal oli see tingimata vastupidises suunas. ; teine ​​- töö alustamiseks peab see end kuhugi (teaduslikult seemne külge) kinnitama. Praimeri rolli täidavad siin lühikesed RNA molekulid, sünteesivad RNA polümeraas, samuti DNA ahela komplementaarsuse põhimõttel (see ensüüm ei vaja praimerit), need sünteesitakse suur hulk ja paljudes kohtades klammerduvad nad mahajäänud ahela külge. Järgmisena läheneb neile DNA polümeraas 3 ja täidab nendevahelised tühimikud. Seda RNA + DNA lõiku nimetatakse Okazaki fragmendiks. Järgmine etapp on RNA järjestuste eemaldamine mahajäänud DNA ahelast: seda teeb edukalt DNA polümeraas 1, mis asendab mõned nukleotiidid teistega (DNA ja RNA puhul erinevad need keemilise struktuuri poolest). Pärast seda ristseotakse korrodeerunud lõigud ensüümi ligaasiga – teine ​​DNA molekul on valmis.