Життя молекул днк. Що таке ДНК - дезоксирибонуклеїнова кислота Будова ДНК генетика

ДНК є універсальним джерелом та зберігачем спадкової інформації, яка записана за допомогою спеціальної послідовності нуклеотидів, вона визначає властивості всіх живих організмів.

Середня молекулярна маса нуклеотиду приймається рівною 345, а кількість нуклеотидних залишків може досягати кількох сотень, тисяч і навіть мільйонів. ДНК в своїй основній масі знаходиться в ядрах клітин. Трохи міститься у хлоропластах та мітохондріях. Однак ДНК ядра клітини – це не одна молекула. Вона складається з безлічі молекул, які розподілені за різними хромосомами, їх кількість змінюється залежно від організму. Це і є особливості будови ДНК.

Історія відкриття ДНК

Будова та функції ДНК були відкриті Джеймсом Вотсоном та Френсісом Криком, їм навіть була вручена Нобелівська премія у 1962 році.

Але вперше виявив нуклеїнові кислоти швейцарський вчений Фрідріх Йоганн Мішер, який працював у Німеччині. У 1869 році він вивчав тваринні клітини – лейкоцити. Для їх одержання використовував пов'язки з гноєм, які діставалися йому з лікарень. З гною Мішер вимивав лейкоцити, та якщо з них виділяв білок. У ході цих досліджень вченому вдалося встановити, що в лейкоцитах крім білків є ще щось, якесь невідоме на той момент речовина. Воно являло собою ниткоподібний або пластівцевий осад, який виділявся, якщо створити кисле середовище. Осад відразу розчинявся при додаванні лугу.

Вчений з допомогою мікроскопа виявив, що з відмиванні лейкоцитів з допомогою соляної кислоти від клітин залишаються ядра. Тоді він зробив висновок, що в ядрі є невідома речовина, яку він назвав нуклеїном (слово nucleus в перекладі означає ядро).

Провівши хімічний аналіз, Мішер з'ясував, що нова речовина у своєму складі має вуглець, водень, кисень та фосфор. Тоді фосфорорганічних сполук було відомо небагато, тому Фрідріх вирішив, що виявив новий клас сполук, що у ядрі клітини.

Таким чином, у ХІХ столітті було відкрито існування нуклеїнових кислот. Однак тоді ніхто не міг навіть подумати про те, яка важлива роль їм належить.

Речовина спадковості

Будова ДНК продовжували досліджувати, і в 1944 році група бактеріологів під керівництвом Освальда Евері отримала докази того, що ця молекула заслуговує на серйозну увагу. Вчений протягом багатьох років займався вивченням пневмококів, організмів, які викликали пневмонію чи захворювання легень. Евері проводив досліди, змішуючи пневмококи, що викликають захворювання, з тими, що безпечні для живих організмів. Спочатку хвороботворні клітини вбивали, а потім додавали до них ті, що захворювань не викликають.

Результати досліджень вразили всіх. Були такі живі клітини, які після взаємодії з мертвими навчалися викликати хворобу. Вчений з'ясував природу речовини, яка бере участь у передачі інформації живим клітинам від мертвих. Молекула ДНК і виявилася цією речовиною.

Будова

Отже, необхідно розібратися про те, яку будову має молекула ДНК. Відкриття її структури стало значним подією, це призвело до утворення молекулярної біології - нова галузь біохімії. ДНК у великих кількостях знаходиться в ядрах клітин, проте розміри та кількість молекул залежать від виду організму. Встановлено, що ядра клітин ссавців містять багато цих клітин, вони розподілені за хромосомами, їх налічується 46.

Вивчаючи будову ДНК, 1924 року Фельген вперше встановив її локалізацію. Докази, отримані під час експериментів, показали, що ДНК перебуває у мітохондріях (1-2%). В інших місцях ці молекули можуть перебувати при вірусній інфекції, базальних тільцях, а також у яйцеклітинах деяких тварин. Відомо, що чим складніше організм, тим більше ДНК. Кількість молекул, що у клітині, залежить від функції і становить зазвичай 1-10%. Найменше їх перебуває у міоцитах (0,2%), більше – у статевих клітинах (60%).

Будова ДНК показала, що у хромосомах вищих організмів вони пов'язані з простими білками - альбумінами, гістонами та іншими, які усі разом утворюють ДНП (дезоксирибонуклеопротеїд). Зазвичай велика молекула нестійка, і для того, щоб вона залишалася цілою і незмінною в ході еволюції, створена так звана система, що репарує, яка складається з ферментів - лігаз і нуклеаз, що відповідають за «ремонт» молекули.

Хімічна будова ДНК

ДНК є полімером, полінуклеотидом, що складається з величезної кількості (до десятків тисяч мільйонів) мононуклеотидів. Будова ДНК має такий вигляд: мононуклеотиди містять азотисті основи - цитозин (Ц) і тимін (Т) - з похідних піримідинів, аденін (А) та гуанін (Г) - з похідних пурину. Крім азотистих основ, у складі молекули людини та тварин є 5-метилцитозин - мінорна піримідинова основа. З фосфорною кислотою та дезоксирибозою зв'язуються азотисті основи. Схема будови ДНК показана нижче.

Правила Чаргафа

Будова та біологічна роль ДНК вивчалися Е. Чаргаффом у 1949 році. У ході досліджень він виявив закономірності, які спостерігаються у кількісному розподілі азотистих основ:

1. ∑Т + Ц = ∑А + Г (тобто число піримідинових основ дорівнює числу пуринових).
2. Завжди кількість залишків аденіну дорівнює кількості залишків тиміну, а кількість гуаніну дорівнює цитозину.
3. Коефіцієнт специфічності має формулу: Г+Ц/А+Т. Наприклад, у людини він дорівнює 1,5, у бика – 1,3.
4. Сума "А + Ц" дорівнює сумі "Г + Т", тобто аденіну та цитозину є стільки ж, скільки гуаніну та тиміну.

Модель будови ДНК

Її створили Вотсон та Крик. Залишки фосфатів та дезоксирибоз розташовуються по хребту двох закручених спіралеподібним чином полінуклеотидних ланцюгів. Визначено, що площинні структури піримідинових і пуринових основ розташовуються перпендикулярно до осі ланцюга і утворюють як би ступені сходів у вигляді спіралі. Встановлено також, що завжди з'єднується з Т за допомогою двох водневих зв'язків, а Г прикріплено до Ц вже трьома такими ж зв'язками. Цьому явищу дали назву "принцип вибірковості та комплементарності".

рівні структурної організації

Вигнутий як спіраль полінуклеотидний ланцюг - це первинна структура, яка має певний якісний та кількісний набір мононуклеотидів, пов'язаних 3',5'-фосфодіефірним зв'язком. Таким чином, кожен з ланцюгів має 3'-кінець (дезоксирибозу) і 5'-кінець (фосфатний). Ділянки, які містять генетичну інформацію, названі структурними генами.

Двоспіральна молекула – це вторинна структура. Причому її полінуклеотидні ланцюги антипаралельні та зв'язуються водневими зв'язками між комплементарними основами ланцюгів. Встановлено, що у кожному витку цієї спіралі міститься 10 нуклеотидних залишків, довжина її дорівнює 3,4 нм. Цю структуру підтримують також Ван-дер-Ваальсові сили взаємодії, які спостерігаються між основами одного ланцюга, що включають відштовхувальні та притягуючі компоненти. Ці сили пояснюються взаємодією електронів у сусідніх атомах. Електростатична взаємодія також стабілізує вторинну структуру. Воно виникає між позитивно зарядженими молекулами гістонів і зарядженою негативно ниткою ДНК.

Третинна структура - це намотування ланцюгів ДНК на гістони чи суперспіралізація. Описано п'ять видів гістонів: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.

Укладання нуклеосом у хроматин – це четвертинна структура, тому молекула ДНК, що має довжину кілька сантиметрів, може складатися до 5 нм.

Функції ДНК

Основними функціями ДНК є:

1. Зберігання спадкової інформації. Послідовність амінокислот, що у молекулі білка, визначається порядком, у якому розташовані нуклеотидні залишки в молекулі ДНК. Також у ній зашифрована вся інформація про властивості та ознаки організму.
2. ДНК здатна передавати спадкову інформацію наступному поколінню. Це можливо через здатність до реплікації – самоподвоєння. ДНК здатна розпадатися на два комплементарні ланцюжки, і на кожному з них (відповідно до принципу комплементарності) відновлюється вихідна послідовність нуклеотидів.
3. За допомогою ДНК відбувається біосинтез білків, ферментів та гормонів.

Висновок

Будова ДНК дозволяє їй бути зберігачем генетичної інформації, а також передавати її наступним поколінням. Які особливості у цієї молекули?

1. Стабільність. Це можливо завдяки глікозидним, водневим та фосфодіефірним зв'язкам, а також механізму репарації індукованих та спонтанних ушкоджень.
2. Можливість реплікації. Цей механізм дозволяє у соматичних клітинах зберігати диплоїдну кількість хромосом.
3. Існування генетичного коду. За допомогою процесів трансляції та транскрипції послідовність основ, що знаходяться в ДНК, перетворюється на послідовність амінокислот, що знаходяться в поліпептидному ланцюзі.
4. Здатність до генетичної рекомбінації. При цьому утворюються нові поєднання генів, які зчеплені між собою.

Таким чином, будова та функції ДНК дозволяють їй відігравати неоціненну роль в організмах живих істот. Відомо, що довжина 46 молекул ДНК, що знаходяться в кожній клітині людини, дорівнює майже 2 м, а число нуклеотидних пар становить 3,2 млрд.

Зміст

Абревіатура клітинної ДНК багатьом знайома зі шкільного курсу біології, але мало хто зможе легко відповісти, що це. Лише невиразне уявлення про спадковість і генетику залишається в пам'яті відразу після закінчення навчання. Знання, що таке ДНК, який вплив надає на наше життя, часом може виявитися дуже потрібним.

Молекула ДНК

Біохіміки виділяють три типи макромолекул: ДНК, РНК та білки. Дезоксирибонуклеїнова кислота – це біополімер, який несе відповідальність за передачу даних про спадкові риси, особливості та розвиток виду з покоління в покоління. Його мономером є нуклеотид. Що таке молекули ДНК? Це головний компонент хромосом та містить генетичний код.

Структура ДНК

Раніше вчені уявляли, що модель будови ДНК періодична, де повторюються однакові групи нуклеотидів (комбінацій молекул фосфату та цукру). Певна комбінація послідовності нуклеотидів надає можливість "кодувати" інформацію. Завдяки дослідженням з'ясувалося, що з різних організмів структура відрізняється.

Особливо відомі у вивченні питання, що таке ДНК американські вчені Александер Річ, Девід Дейвіс та Гері Фелзенфелд. Вони 1957 року представили опис нуклеїнової кислоти з трьох спіралей. Через 28 років, вчений Максим Давидович Франк-Каменіцький продемонстрував, як дезоксирибонуклеїнова кислота, яка складається з двох спіралей, складається з Н-подібної форми з 3 ниток.

Структура у дезоксирибонуклеїнової кислоти дволанцюжкова. У ній нуклеотиди попарно з'єднані у довгі полінуклеотидні ланцюги. Ці ланцюжки за допомогою водневих зв'язків уможливлюють утворення подвійної спіралі. Виняток – віруси, у яких одноланцюговий геном. Існують лінійні ДНК (деякі віруси, бактерії) та кільцеві (мітохондрії, хлоропласти).

Склад ДНК

Без знання, із чого складається ДНК, не було б жодного досягнення медицини. Кожен нуклеотид – це три частини: залишок цукру пентози, азотна основа, залишок фосфорної кислоти. Виходячи з особливостей сполуки, кислоти можуть називатися дезоксирибонуклеїновою або рибонуклеїновою. До складу ДНК входить величезна кількість мононуклеотидів із двох підстав: цитозин і тимін. Крім цього, вона містить похідні піримідинів, аденін та гуанін.

Є в біології визначення DNA – сміттєва ДНК. Функції її ще невідомі. Альтернативна версія назви – «некодуюча», що ні вірно, т.к. вона містить білки, що кодують, транспозони, але їх призначення теж таємниця. Одна з робочих гіпотез свідчить, що певна кількість цієї макромолекули сприяє структурної стабілізації геному щодо мутацій.

Де знаходиться

Розташування усередині клітини залежить від особливостей виду. У одноклітинних ДНК знаходиться у мембрані. В інших живих істот вона знаходиться в ядрі, пластидах і мітохондріях. Якщо говорити про людську ДНК, її називають хромосомою. Щоправда, це не зовсім так, адже хромосоми – це комплекс хроматину та дезоксирибонуклеїнової кислоти.

Роль у клітці

Основна роль ДНК у клітинах – передача спадкових генів та виживання майбутнього покоління. Від неї залежать як зовнішні дані майбутньої особини, а й її характері і здоров'я. Дезоксирибонуклеїнова кислота знаходиться в суперскрученому стані, але для якісного процесу життєдіяльності вона має бути розкрученою. З цим їй допомагають ферменти - топоізомерази та хелікази.

Топоізомерази відносяться до нуклеаз, вони здатні змінювати ступінь скрученості. Ще одна їх функція – участь у транскрипції та реплікації (розподіл клітин). Хелікази розривають водневі зв'язки між основами. Існують ферменти лігази, які порушені зв'язки «зшивають», та полімерази, які беруть участь у синтезі нових ланцюгів полінуклеотидів.

Як розшифровується ДНК

Ця абревіатура для біології є звичною. Повна назва ДНК-дезоксирибонуклеїнова кислота. Вимовити таке не кожному під силу з першого разу, тому часто в промові розшифрування ДНК опускається. Зустрічається ще поняття РНК – рибонуклеїнова кислота, що складається з послідовностей амінокислот у білках. Вони безпосередньо пов'язані, а РНК є другою за важливістю макромолекулою.

ДНК людини

Людські хромосоми всередині ядра розділені, що робить ДНК людини найстабільнішим, найповнішим носієм інформації. Під час генетичної рекомбінації спіралі поділяються, відбувається обмін ділянками, потім зв'язок відновлюється. За рахунок пошкодження ДНК утворюються нові комбінації та малюнки. Весь механізм сприяє природному добору. Досі невідомо, як довго вона відповідає за передачу геному, і якою є її еволюція метаболізму.

Хто відкрив

Перше відкриття структури ДНК приписують англійським біологам Джеймсу Вотсону та Френсісу Крику, які у 1953 році розкрили особливості будови молекули. Знайшов її в 1869 році швейцарський лікар Фрідріх Мішер. Він вивчав хімічний склад тварин клітин за допомогою лейкоцитів, які масово накопичуються у гнійних ураженнях.

Мішер займався вивченням способів відмивання лейкоцитів, виділяв білки, коли виявив, що крім них є ще щось. На дні посуду під час обробки утворився осад із пластівців. Вивчивши ці відкладення під мікроскопом, молодий лікар виявив ядра, які залишалися після обробки соляною кислотою. Там містилося з'єднання, яке Фрідріх назвав нуклеїном (від лат. Nucleus – ядро).

Властивості ДНК визначаються її будовою:

1. Універсальність- Принципи побудови ДНК для всіх організмів однакові.

2. Специфіка- Визначається співвідношенням азотистих основ: А+Т,

яке специфічне кожному за виду. Так, у людини воно становить 1,35, у бактерій – 0,39

Специфіка залежить від:

· Кількість нуклеотидів

· виду нуклеотидів

· Розташування нуклеотидів в ланцюгу ДНК

2. Реплікаціяабо самоподвоєння ДНК: ДНК↔ДНК. Генетична програма клітинних організмів записана нуклеотидної послідовності ДНК. Для збереження унікальних властивостей організму необхідне точне відтворення цієї послідовності у наступному поколінні. Під час поділу клітини вміст ДНК має подвоїтися, щоб кожна дочірня клітина могла одержати повний спектр ДНК, тобто. у будь-якій ділиться соматичної клітині людини має бути скопійовано 6,4 * 109 нуклеотидних пар. Процес подвоєння ДНК отримав назву реплікації. Реплікація відноситься до реакцій матричного синтезу. Під час реплікації кожен із двох ланцюгів ДНК служить матрицею для утворення комплементарного (дочірнього) ланцюга. Протікає вона в S-період інтерфази клітинного циклу. Висока надійність процесу реплікації гарантує практично безпомилкову передачу генетичної інформації серед поколінь. Пусковим сигналом для початку синтезу ДНК у S-періоді є так званий S – фактор (специфічні білки). Знаючи швидкість реплікації та довжину хромосоми еукаріотів можна розрахувати час реплікації, який теоретично становить кілька діб, а практично реплікація здійснюється за 6 – 12 годин. З цього випливає, що реплікація у еукаріотів одночасно починається в декількох місцях на одній молекулі ДНК.

Одиницею реплікації є реплікон. Реплікон – це ділянка ДНК, де відбувається реплікація.Кількість репліконів на одну інтерфазну хромосому у еукаріотів може досягати 100 і більше. У клітині ссавців може бути 20 - 30 тис. репліконів, у людини - приблизно 50 тис. При фіксованій швидкості росту ланцюга (у еукаріотів - 100 нуклеотидів в секунду) множинна ініціація забезпечує велику швидкість процесу і зниження часу, необхідного для дуплікації протяжних ділянок тобто. у еукаріотів здійснюється полірепліконнареплікація. (рис. 21)

Реплікон містить усі необхідні гени та регуляторні послідовності, які забезпечують реплікацію. Кожен реплікон у процесі клітинного поділу активується один раз. Реплікація контролюється стадії ініціації. Якщо процес подвоєння почався, він триватиме доти, доки весь реплікон не буде подвоєний.

У прокаріотів вся ДНК є одним репліконом.

Рис.21. Реплікація хромосомної ДНК еукаріотів. Реплікація йде у двох напрямках із різних точок початку реплікації (Ori) з утворенням бульбашок. «Бульбашка» або «око» це область реплікованої ДНК усередині нереплікованої. (А. С. Конічев, Г. А. Севастьянова, 2005, с. 213)

Ферменти, що у процесі реплікації, об'єднані в мультиферментативний комплекс. У реплікації ДНК у прокаріотів бере участь 15 ферментів, а еукаріотів – більше 30, тобто. реплікація – це архіскладний та суперточний багатоступінчастий ферментативний процес. До складу ферментативних комплексів входять такі ферменти:

1) ДНК – полимеразы (I, III), каталізують комплементарне копіювання, тобто. відповідають зростання дочірньої ланцюга. (рис. 22) Прокаріоти реплікуються зі швидкістю 1000 нуклеотидів за секунду, а еукаріоти - 100 нуклеотидів за секунду. Знижена швидкість синтезу у еукаріотів пов'язана із утрудненою дисоціацією гістонових білків, які необхідно видалити для просування ДНК-полімерази в реплікативної вилці вздовж ланцюга ДНК.

2) ДНК – праймазу. ДНК-полімерази можуть подовжувати полінуклеотидний ланцюг приєднуючись до вже наявних нуклеотидів. Тому, щоб ДНК - полімераза змогла почати синтез ДНК, їй необхідна затравка або праймер (від англ. Primer - затравка). ДНК - праймаза синтезує таку затравку, яка потім заміщається сегментами ДНК. (Рис. 22).

3) ДНК – лігаза, що з'єднує фрагменти Оказаки один з одним за рахунок утворення фосфодіефірного зв'язку.

4) ДНК - хеліказа, розплітає спіраль ДНК, розриває водневі зв'язки між ними. В результаті утворюються дві одиночні різноспрямовані гілки ДНК (рис.22).

5) SSB – білки, пов'язуються з одноланцюгової ДНК і стабілізують її, тобто. вони створюють умови для комплементарного спарювання.

Реплікація ДНК починається над будь-який випадкової точці молекули, а специфічних місцях, званих областю (точками) початку реплікації (Ori). Вони мають певні послідовності нуклеотидів, що полегшує розподіл ланцюгів (рис.21). В результаті ініціації реплікації у точці Ori утворюються одна або дві реплікативні виделки – місця поділу материнських ланцюгів ДНК. Процес копіювання триває доти, доки ДНК повністю не подвоїться або поки реплікативні виделки двох сусідніх точок початку реплікації не зіллються. Точки початку реплікації у еукаріотів розкидані по хромосомі на відстані 20 000 пар нуклеотидів (рис.21).

Рис.22. Реплікація ДНК (пояснення у тексті). (Б. Альбертс та ін, 1994, т. 2, с. 82)

Фермент - Хеліказа- Розриває водневі зв'язки, тобто. розплітає подвійний ланцюг, утворюючи дві різноспрямовані гілки ДНК (рис.22). Одноланцюгові ділянки зв'язуються спеціальними SSВ-білками, які вишиковуються зовні кожного материнського ланцюга і відтягують їх один від одного. Це робить азотисті підстави доступними для зв'язування комплементарними нуклеотидами. У місці сходження цих гілок у напрямку реплікації ДНК розташовується фермент ДНК-полімераза, який каталізує процес та контролює точність комплементарного синтезу. Особливістю роботи даного ферменту його односпрямованість, тобто. побудова дочірнього ланцюга ДНКйде у напрямку від 5" кінця до 3" . На одному материнському ланцюзі синтез дочірньої ДНК йде безперервно(Лідуючий ланцюг). Вона росте від 5" до 3"кінця в напрямку руху реплікативної вилки і тому потребує лише одного акту ініціації. На іншому материнському ланцюгу синтез дочірнього ланцюга йде у вигляді коротких фрагментів із звичайним 5" - 3" полярністю та за допомогою ферментів – лігазвідбувається їх зшивання в один неперервний ланцюг, що відстає. Тому для синтезу ланцюга, що відстає, потрібно кілька актів (точок) ініціації.

Такий спосіб синтезу названо переривчастою реплікацією.Фрагментні ділянки, синтезовані на ланцюгу, що відстає, на честь першовідкривача названі фрагментами Козаки. Вони виявлені у всіх ДНК, що реплікуються, як у прокаріотів, так і в еукаріотів. Їхня довжина відповідає 1000 – 2000 нуклеотидам у прокаріотів і 100 – 200 у еукаріотів. Таким чином, в результаті реплікації утворюються 2 ідентичні молекули ДНК, в яких один ланцюг материнська, інший знову синтезований. Такий спосіб реплікації називають напівконсервативним.Припущення про такий спосіб реплікації було зроблено Дж. Вотсон і Ф. Криком, а доведено в 1958р. М. Мезелсономі Ф. Сталем. Після реплікації хроматин є системою з 2 декомпактизованих молекул ДНК, об'єднаних центроміром.

У процесі реплікації можуть виникати помилки, які у прокаріотів та еукаріотів бувають з однією і тією ж частотою. одна на 10 8 -10 10 нуклеотидів, тобто. в середньому 3 помилки на геном. Це доказ високої точності та скоординованості процесів реплікації.

Помилки реплікації виправляються ДНК-полімеразою III (механізм коректорської правки) або системою репарацій.

2. Репарація- це властивість ДНК відновлювати свою цілісність, тобто. виправляти ушкодження. Передача спадкової інформації у неспотвореному вигляді найважливіша умова виживання як окремого організму, і виду загалом. Більшість змін шкідливі для клітини, або призводять до мутацій, або блокують реплікацію ДНК, або викликають загибель клітини. ДНК постійно піддається дії спонтанних (помилки реплікації, порушення структури нуклеотиду тощо) та індукованих (УФ – опромінення, іонізуюча радіація, хімічні та біологічні мутагени) факторів середовища. У ході еволюції виробилася система, яка дозволяє виправляти порушення в ДНК. система репарації ДНК. Внаслідок її активності на 1000 пошкоджень ДНК лише одне призводить до мутацій. Пошкодження - будь-яка зміна ДНК, що викликає відхилення від звичайної дволанцюжкової структури:

1) поява одноланцюжкових розривів;

2) видалення однієї з підстав, внаслідок чого його гомолог залишається неспареним;

3) заміщення однієї основи в комплементарній парі іншою, неправильно спареною з основою-партнером;

4) поява ковалентних зв'язків між основами одного ланцюга ДНК або між основами на протилежних ланцюгах.

Репарація може відбуватися до подвоєння ДНК (дореплікативна репарація) та після подвоєння ДНК (постреплікативна). Залежно від характеру мутагенів та ступеня пошкодження ДНК у клітині йде світлова (фотореактивація), темнова, SOS-репарація та ін.

Вважають що фотореактиваціяйде у клітині, якщо пошкодження ДНК викликані природними умовами (фізіологічні особливості організму, звичайні чинники середовища, зокрема - ультрафіолетові промені). Відновлення цілісності ДНК при цьому відбувається за участю видимого світла: репаративний фермент активується квантами видимого світла, з'єднується з пошкодженою ДНК, роз'єднує піримідинові димери порушеної ділянки та відновлює цілісність нитки ДНК.

Темнова репарація (ексцизійна)спостерігається після дії іонізуючої радіації, хімічних речовин та ін. Вона включає видалення пошкодженої ділянки, відновлення нормальної структури молекули ДНК (рис.23). Для цього типу репарації необхідний другий комплементарний ланцюг ДНК. Темнова репарація багатоступінчаста, у ній бере участь комплекс ферментів, а саме:

1)фермент, що впізнає пошкоджену ділянку ланцюга ДНК

2)ДНК – ендонуклеаза, робить розрив у пошкодженому ланцюзі ДНК

3) екзонуклеаза видаляє змінену частину нитки ДНК

4) ДНК - полімераза I синтезує нову ділянку ДНК замість віддаленого

5)ДНК- лігаза зшиває кінець старої нитки ДНК із знову синтезованою, тобто. замикає два кінці ДНК (рис.23). У темновій репарації у людини беруть участь 25 білків-ферментів.

При великих пошкодженнях ДНК, які загрожують життю клітин, включається SOS-репарація. SOS-репарація була відкрита у 1974 році. Такий тип репарації спостерігається після дії великих доз іонізуючої радіації. Характерна риса SOS-репарації – неточність відновлення первинної структури ДНК, у зв'язку з чим вона отримала назву репарації, схильні до помилок. Головна мета SOS-репарації – зберегти життєздатність клітини.

Порушення в системі репарації можуть призводити до передчасного старіння, розвитку онкологічних захворювань, хвороб аутоімунної системи, загибелі клітин або організму.

Мал. 23. Репарація пошкодженої ДНК шляхом заміни модифікованих нуклеотидних залишків (темнова репарація або ексцизійна). (М. Сінгер, П. Берг, 1998, т. 1, с.100)

Нуклеїнові кислоти – це складні, високомолекулярні біополімери. Вперше ці речовини були виявлені в ядрі клітини, звідси походить їхня назва (від лат. Нуклеус - ядро). Пізніше було встановлено, що нуклеїнові кислоти є також і в цитоплазмі клітин.

У розшифровці структури нуклеїнових кислот брали участь багато вчених, таких як Ф. Мішер, Е. Чаргафф, Р. Франклін та інші, але остаточно розгадати структуру нуклеїнових кислот вдалося в 1953 році американському біохіміку Дж. Вотсону та англійському генетику Ф. Крику, за що вони були удостоєні Нобелівської премії, які відкриття було визнано однією з найбільших відкриттів ХХ століття.

Відомі два типи нуклеїнових кислот: ДНК - дезоксирибонуклеїнові кислотиі РНК – рибонуклеїнові кислоти.Їх молекули є полімерами, мономерами яких є нуклеотиди. Довжина ниткоподібних молекул ДНК є величезною, в клітинах організму людини вона становить кілька сантиметрів. Загальна довжина ДНК у 26 парах хромосом людини становить приблизно 1,5 метра. Молекули РНК коротші - довжина кожної з них не перевищує 0,01 мм.

Нуклеотиди - мономери нуклеїнових кислот, у свою чергу, мають складну будову. Кожен нуклеотид складається з трьох частин: азотистої основи, простого вуглеводу пентози та залишку фосфорної кислоти:

Нуклеотиди ДНК відрізняються за будовою від нуклеотидів РНК. До складу молекул ДНК входять нуклеотиди чотирьох типів, які відрізняються один від одного азотистими основами, серед яких відомі: аденін, гуанін, цитозин та тимін. Залежно від того, яка з чотирьох видів азотистих основ входить до складу нуклеотиду ДНК, він, відповідно, зветься аденіновим, гуаніновим, цитозиновим або тиміновим. Скорочено нуклеотиди позначаються літерами А, Р, Ц, Т. Вуглевод, що входить до складу нуклеотидів ЛНК. завжди один і той же - це дезоксирибо-за, постійними і незмінним компонентом всіх нуклеотидів ДНК є і залишок фосфорної кислоти. Таким чином, один з нуклеотидів ДНК, наприклад, аденіновий А, можна зобразити схематично так:

В один ланцюг нуклеотиди з'єднуються шляхом утворення ковалентних зв'язків між дезоксирибозою одного та залишком фосфорної кислоти наступного нуклеотиду (рис. 1).

Молекула ДНК є не одним, а два ланцюгами нуклеотидів, які зорієнтовані один до одного азотистими основами і між якими виникають водневі зв'язки. Кількість таких зв'язків між різними азотистими основами неоднаково, і, внаслідок цього, вони можуть з'єднуватися тільки попарно: азотна основа аденін одного ланцюга полінуклеотиду завжди пов'язана двома водневими зв'язками з тиміном іншого ланцюга, а гуанін - трьома водневими зв'язками з азотистою основою цитозином протиположної. Така здатність до виборчого поєднання нуклеотидів називається комплементарністю(від латів. complementum - доповнення).

Мал. 1. Будова ДНК

У просторі молекула ДНК є закрученою подвійною спіраль (вторинна структура ДНК), яка, у свою чергу, піддається подальшій просторовій упаковці, формуючи третинну структуру - суперспіраль. Така будова характерна для ДНК хромосом еукаріотів і зумовлена ​​взаємодією між ДНК та ядерними білками. Так, довжина ДНК найбільшої хромосоми людини дорівнює 8 см, але при цьому вона скручена так, що, зрештою, не перевищує 5 нм.

Основна властивість молекули ДНК - здатність до самоподвоєння ( реплікації) (рис. 2).

Перед реплікацією подвійна спіраль молекули ДНК розкручується і розпадається на два ланцюжки, кожен з яких служить матрицею (формою) для складання на ній по

принципом комплементарностінового (дочірнього) ланцюжка. Матеріалом для побудови нового ланцюжка ДНК є нуклеотиди, що завжди є в ядрі у вільному стані. Цей процес має місце перед поділом клітини і є основою подвоєння числа хромосом.

Мал. 2. Реплікація подвійної спіралі ДНК

Нуклеотиди молекули ДНК кодують послідовність амінокислот у молекулі білка – у цьому полягає основна функція ДНК – зберігання спадкової інформації. Одну амінокислоту в молекулі білка кодує 3 нуклеотиди молекули ДНК. Ген – це ділянка молекули ДНК, в якій записана послідовність амінокислот однієї молекули білка.

Для детального розуміння суті методу ПЛР-діагностики необхідно здійснити невеликий екскурс до шкільного курсу біології.

Ще зі шкільних підручників ми знаємо, що дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) є універсальним носієм генетичної інформації та спадкових ознак у всіх існуючих на Землі організмів. Виняток становлять лише деякі мікроорганізми, наприклад, віруси – універсальним носієм генетичної інформації у них є РНК – одноланцюжкова рибонуклеїнова кислота.

Будова ДНК-молекули

Відкриття ДНК молекули відбулося 1953 року. Френсіс Крік і Джеймс Вотсон відкрили структуру подвійної спіралі ДНК, їх працю згодом було відзначено Нобелівською премією.

ДНК є подвійною ниткою, скрученою в спіраль. Кожна нитка складається з "цеглинок" - з послідовно з'єднаних нуклеотидів. Кожен нуклеотид ДНК містить одну з чотирьох азотистих основ - гуанін (G), аденін (A) (пурини), тімін (T) і цитозин (C) (піримідини), пов'язане з дезоксирибозою, до останньої, у свою чергу, приєднана фосфатна група . Між собою сусідні нуклеотиди з'єднані в ланцюзі фосфодіефірним зв'язком, утвореним 3'-гідроксильним (3'-ОН) і 5'-фосфатною групами (5'-РО3). Ця властивість обумовлює наявність полярності в ДНК, тобто протилежної спрямованості, а саме 5'- і 3'-кінців: 5'-кінцю однієї нитки відповідає 3'-кінець другої нитки.

0Array (=> Аналізи) Array (=> 2) Array (=>.html) 2

Структура ДНК

Первинна структура ДНК - це лінійна послідовність нуклеотидів ДНК у ланцюзі. Послідовність нуклеотидів у ланцюзі ДНК записують у вигляді буквеної формули ДНК: наприклад - AGTCATGCCAG, запис ведеться з 5'-на 3'-кінець ланцюга ДНК.

Вторинна структура ДНК утворюється за рахунок взаємодій нуклеотидів (переважно азотистих основ) між собою, водневих зв'язків. Класичний приклад вторинної структури ДНК – подвійна спіраль ДНК. Подвійна спіраль ДНК - найпоширеніша у природі форма ДНК, що складається з двох полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Побудова кожного нового ланцюга ДНК здійснюється за принципом комплементарності, т. е. кожному азотистому підставі однієї ланцюга ДНК відповідає строго певне підставу іншого ланцюга: в комплементарної парі навпроти A стоїть T, а навпаки G розташовується C і т.д.

Синтез ДНК. Реплікація

Унікальною властивістю ДНК є її здатність подвоюватись (реплікуватися). У природі реплікація ДНК відбувається так: за допомогою спеціальних ферментів (гіраз), які служать каталізатором (речовинами, що прискорюють реакцію), у клітці відбувається розплетення спіралі в тій її ділянці, де має відбуватися реплікація (подвоєння ДНК). Далі водневі зв'язки, які пов'язують нитки, розриваються та нитки розходяться.

У побудові нового ланцюга активним «будівельником» виступає спеціальний фермент – ДНК-полімераза. Для подвоєння ДНК необхідний стратовий блок або «фундамент», в якості якого виступає невеликий дволанцюговий фрагмент ДНК. Цей стартовий блок, а точніше – комплементарна ділянка ланцюга батьківської ДНК – взаємодіє з праймером – одноланцюжковим фрагментом із 20–30 нуклеотидів. Відбувається реплікація чи клонування ДНК одночасно обох нитках. З однієї молекули ДНК утворюються дві молекули ДНК, у яких одна нитка від материнської молекули ДНК, а друга, дочірня, знову синтезована.

гастроентерологія діагностичний комплекс - 5360 рублів

ТІЛЬКИ В БЕРЕЗНІ економія - 15%

1000 рублів зняття ЕКГ із розшифровкою

- 25%первинний
прийом лікаря
терапевта у вихідні

980 руб. первинний прийом гірудотерапевта

прийом терапевта - 1130 рублів (замість 1500 рублів) "Тільки в березні, по суботах і неділях, прийом лікаря-терапевта зі знижкою 25% - 1130 руб., замість 1500руб. (діагностичні процедури оплачуються за прейскурантом)

Таким чином, процес реплікації ДНК (подвоювання) включає три основні етапи:

• Розплетення спіралі ДНК та розбіжність ниток
• Приєднання праймерів
• Утворення нового ланцюга ДНК дочірньої нитки

В основі аналізу методом ПЛР лежить принцип реплікації ДНК - синтезу ДНК, який сучасним ученим вдалося відтворити штучно: в лабораторії лікарі викликають подвоєння ДНК, але не всього ланцюга ДНК, а її невеликого фрагмента.

Функції ДНК

Молекула ДНК людини – носій генетичної інформації, яка записана у вигляді послідовності нуклеотидів за допомогою генетичного коду. Внаслідок описаної вище реплікації ДНК відбувається передача генів ДНК від покоління до покоління.

Зміна послідовності нуклеотидів у ДНК (мутації) може спричинити генетичні порушення в організмі.