Если вирусная частица имеет двунитевую кольцевую молекулу днк размером 200

Нити нуклеиновой кислоты у разных вирусов имеют различную длину. Ее принято измерять количеством составляющих ее нуклеотидов или нуклеотидных пар, если нуклеиновая кислота двунитевая. РНК самых мелких вирусов состоит примерно из трех тысяч нуклеотидов. ДНК самых крупных вирусов состоит почти из 200 тысяч нуклеотидных пар.

На этом фрагменте сферической вирусной частицы видны: образованная белком оболочки (1) поверхность вирусной частицы и закрученная в спираль молекула вирусной нуклеиновой кислоты внутри вириона (2)

Структура вирусных ДНК: 1 – линейная ДНК в виде двойной спирали;2 – линейная однонитевая ДНК; 3 – кольцевая двунитевая ДНК; 4 – кольцевая однонитевая ДНК.

По большей части молекулы нуклеиновой кислоты значительно превосходят по размерам вирусные частицы, в которые они упакованы. Поэтому нуклеиновые кислоты внутри вириона аккуратно свернуты и тщательно уложены. Нуклеиновая кислота сама обеспечивает правильность своей укладки, но важную роль в этом процессе играют и специальные вирусные белки.

Конечно, значение нуклеиновой кислоты определяется не длиной ее нити или формой укладки. Нуклеиновая кислота представляет собой генетический материал вируса. В последовательности нуклеотидов, из которых состоит нить ДНК или РНК, зашифрована вся информация о свойствах данного вируса. У разных вирусов эта последовательность различна, и именно поэтому вирусы, внешне очень похожие или даже неотличимые один от другого, могут заражать совершенно разные виды живых организмов и оказывать совершенно разное воздействие на клетку, в которую им удается проникнуть.

Структура вирусных РНК: 1 – линейная однонитевая РНК; 2 – линейная двунитевая РНК в виде двойной спирали;3 – кольцевая однонитевая РНК.

Любой вирус решает, в сущности, единственную задачу – выжить, сохранить свое присутствие среди других живых существ, непрерывно воспроизводя себе подобных. Чтобы оставить потомство, ему прежде всего необходимо изготовить множество копий нуклеиновой кислоты. Но вирус не в состоянии сделать это самостоятельно. Чтобы наштамповать много собственных копий, даже самому простому вирусу нужны: нуклеотиды, из которых он может построить собственную нуклеиновую кислоту; аминокислоты для строительства вирусного белка; ферменты, которые быстро и умело осуществят это строительство. На все это придется затратить энергию. Словом, вирусу нужны строительные материалы, рабочие и питание для рабочих. А ничего этого у вируса нет. У него есть только план, как все это надо сделать. Этот план зашифрован в молекуле вирусной нуклеиновой кислоты. Как реализовать этот план?

Для этого вирус должен попасть внутрь живой клетки. Только при этом условии он может оставить потомство и доказать, что он – живой. Там и только там, внутри клетки, он найдет все необходимое для размножения, то есть для образования дочерних вирусных частиц.

В изящной словесности принято описывать не только внешность героя, его мысли и планы, но и обстановку, в которой происходит действие. Не будем пренебрегать этим приемом, тем более что клеточный интерьер для вируса является не декорацией, а жизненно важным условием его существования, от деталей которого зависит успех вирусной инфекции.

Выражаясь предельно схематично, клетка состоит из цитоплазмы и ядра. Цитоплазма отделена от окружающей среды и от других клеток плазматической мембраной. Плазматическая мембрана образована двойным слоем липидов и пронизана многочисленными клеточными белками. В цитоплазме находятся органеллы ("маленькие органы"), выполняющие ту или иную работу. Форму клеткй поддерживает ее внутренний скелет.

Очень упрощенная схема строения животной клетки: клетка покрыта плазматической мембраной (1); внутри клетки располагается ядро (2); пространство между ядром и плазматической мембраной заполнено цитоплазмой (3), в которой находятся митохондрии (4) и рибосомы (5).Рибосомы сконцентрированы на мембранах эндоплазматической сети (6)

Ядро отделено от цитоплазмы пористой мембраной. Внутри ядра находятся хромосомы, в которых упакован генетический материал клетки в виде отдельных молекул двунитевой ДНК. Клеточные ферменты постоянно осуществляют копирование того или иного фрагмента ДНК, в точности воспроизводя его нуклеотидную последовательность. Такой фрагмент ДНК называется геном. Ферменты снимают копию с гена в виде однонитевой молекулы РНК. Каждая молекула РНК содержит информацию о структуре какого–то одного белка и поэтому называется информационной РНК. Молекулы информационной РНК непрерывно проникают через ядерные поры в цитоплазму. Там их поджидают рибосомы – молекулярные машины, которые делают белок. Рибосомы умеют расшифровывать нуклеотидную последовательность информационной РНК и изготавливать молекулу белка в соответствии с полученным заданием. Работа всего этого механизма сопровождается расходом химической энергии, которую производят митохондрии.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Цель занятия: закрепление знаний о молекулярных основах наследственности, обсуждение свойств генетического кода и некоторых закономерностей реализации наследственной информации на уровне трансляции.

Демонстрационный материал: таблицы генетического кода, схемы репликации, транскрипции, трансляции.

I. Повторение теоретического материала:

1. Строение молекул ДНК и РНК, их сходство и различие. Типы молекул РНК.

2. Механизмы репликации, транскрипции и трансляции.

3. Свойства генетического кода: колинеарность, триплетность, непрерывность, однонаправленность, неперекрываемость, вырожденность, квазиуниверсальность.

II. Решение задач (преподаватель решает вместе со студентами)

Раздел 1. СТРОЕНИЕ ДНК И РНК.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

1. Фрагмент мРНК гена инсулина имеет следующее строение:

УУУ ГУУ ГАУ ЦАА ЦАЦ УУА УГУ ГГГ УЦА ЦАЦ

Определите соотношение (А+Т)/(Г+Ц) в молекуле ДНК, соответствующей данному фрагменту.

2. В табл. 1. представлены данные нуклеотидного состава ДНК и мРНК бактерий B. subtilis и E. coli.

Нуклеотидный состав ДНК и мРНК исследуемых бактерий

А. Определите, одна или две нити молекулы ДНК используются для синтеза мРНК у этих двух организмов. Ответ поясните.

Б. Объясните, однонитчатой или двухнитчатой является мРНК.

3. РНК, выделенная из ВТМ (вируса табачной мозаики), содержит 20 % цитозина. Можно ли рассчитать процентное содержание аденина в этой РНК?

4. Из бактерий S. afermentans была выделена ДНК и определен ее нуклеотидный состав. Оказалось, что 37 % нуклеотидов содержит цитозин. Можно ли определить процентное содержание аденина в этой молекуле ДНК?

5. Если считать, что молекулярная масса одной аминокислоты в белке составляет примерно 100 Да, какое количество нуклеотидов содержится в мРНК, кодирующей полипептид, молекулярная масса которого равна 27 кДа?

6. Назовите основные отличия между молекулами ДНК и РНК. Какие изотопы обычно используются для их радиоактивного мечения, а также для мечения белковых молекул?

7. Если вирусная частица имеет двухнитчатую кольцевую молекулу ДНК размером 200 тысяч пар нуклеотидов (т. п. н.), сколько нуклеотидов находится в этой молекуле? Сколько полных витков приходится на эту молекулу ДНК? Сколько атомов фосфора содержится в каждой из нитей ДНК?

8. Если в молекуле ДНК содержится 56 % ГЦ пар, каков будет процент А, Т, Г и Ц, соответственно?

9. Укажите, какие из перечисленных ниже утверждений являются верными:

Ж. А = Т в каждой из цепей.

З. Водородная связь обеспечивает стабильность двойной спирали.

И. Каждая из нитей двойной спирали ДНК идентична друг другу.

К. Если одно основание в цепи ДНК известно, то можно определить соответствующее ему основание в другой цепи.

Л. Каждая пара нуклеотидов содержит две фосфатные группы, две дезоксирибозы и два азотистых основания.

Раздел 2. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК И ЕЕ МЕХАНИЗМ

1. Культуру бактерий E. coli выращивали в течение длительного времени на среде, содержащей азот 15N. Затем клетки перенесли на среду с 14N, где нарастили их в течение одной генерации.

А. Как распределится азот 15N и 14N в ДНК, если учесть, что репликация происходит:

1) по консервативному типу;

2) по полуконсервативному типу;

Б. Как распределится метка после выращивания бактерий на среде с легким азотом 14N после двух генераций при предположении, что репликация происходит по:

1) консервативному типу;

2) полуконсервативному типу;

2. Фермент ДНК-полимеразы I принимает участие в репликации ДНК.

1. Имеет ли этот фермент иную активность, кроме ДНК-полимеразной?

2. Как работает этот фермент in vivo?

3. Важна ли активность ДНК-полимеразы I для клеток E. coli? Почему?

3. Как называется фермент, ответственный за синтез ДНК как при репликации, так и при репарации?

4. У бактерий E.coli вновь синтезированная ДНК кратковременно обнаруживается в виде фрагментов длиной 1000 – 2 000 нуклеотидов. Какое они имеют название?

5. Расплетение двойной спирали ДНК в зоне репликативной вилки катализируется ферментом, использующим для направленного движения по ДНК энергию гидролиза АТФ. Как называется этот фермент?

6. Для бактерий и некоторых вирусов, инфицирующих эукариотические клетки, было показано, что репликационные глазки образуются в тех участках молекулы ДНК, где находятся специальные последовательности. Как они называются?

7. Укажите, верно ли утверждение, что у E. coli репликативная вилка продвигается вперед со скоростью 500 – 1000 пар нуклеотидов (п. н.) в секунду, а цепи ДНК перед вилкой вращаются с круговой скоростью почти 3000 об/мин.

8. Укажите, верно ли утверждение, что при утрате ДНК-полимеразой (3′®5′) экзонуклеазной активности клетками E. coli должна уменьшиться скорость синтеза ДНК, но не его точность.

9. Укажите, верно ли утверждение, что в клетках дрожжей, мутантных по топоизомеразе II, ДНК может реплицироваться, но хромосомы не могут разделяться в процессе митоза.

Раздел 3. ТРАНСКРИПЦИЯ, ТРАНСЛЯЦИЯ

И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

1. В лаборатории группа исследователей занимается изучением биосинтеза белка in vitro. Для этого они используют в качестве матрицы полирибонуклеотид мРНК следующего вида:

3′ – АУГ ГУА УАГ УАГ ГГУ УАЦ ГУА – 5′

В белоксинтезирующую систему также входят: ионы Mg2+ (10 ммоль/л), 70S рибосомы, белковые факторы трансляции, ГТФ и 7 видов аминоацилированных тРНК:

Какой полипептид будет считываться с этой мРНК?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – полимер, состоит из нуклеотидов.

Нуклеотид ДНК состоит из

• азотистого основания (в ДНК 4 типа: аденин, тимин, цитозин, гуанин)
• моносахара дезоксирибозы
• фосфорной кислоты

Нуклеотиды соединяются между собой прочной ковалентной связью через сахар одного нуклеотида и фосфорную кислоту другого. Получается полинуклеотидная цепь.

Две полинуклеотидные цепи соединяются друг с другом слабыми водородными связями между азотистыми основаниями по правилу комплементарности: напротив аденина всегда стоит тимин, напротив цитозина – гуанин (они подходят друг другу по форме и числу водородных связей – между А и Т две связи, между Ц и Г – 3). Получается двойная цепь ДНК, она скручивается в двойную спираль.

ДНК входит в состав хромосом, хранит наследственную информацию (о признаках организма, о первичной структуре белков).

ДНК способна к самоудвоению (репликации, редупликации). Самоудвоение происходит в интерфазе перед делением. После удвоения каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые во время будущего деления превратятся в дочерние хромосомы. Благодаря самоудвоению каждая из будущих дочерних клеток получит одинаковую наследственную информацию.

• рибоза вместо дезоксирибозы
• нет тимина, вместо него урацил
• одноцепочечная

• информационная (матричная) РНК
  • переносит информацию о строении белка из ядра (от ДНК) в цитоплазму (к рибосоме);
  • меньше всего в клетке;
• транспортная РНК
  • переносит аминокислоты к рибосоме;
  • самая маленькая, имеет форму клеверного листа;
• рибосомная РНК
  • входит в состав рибосом;
  • самая большая по размерам и количеству
    

Тимина в ДНК столько же, сколько аденина, остальное (до 100%) приходится на цитозин и гуанин, их тоже поровну. Например: если гуанина 15%, значит цитозина тоже 15%, итого 30%, значит, на аденин и тимин приходится 100-30=70%, следовательно аденина 70/2=35% и тимина тоже 35%

Выберите один, наиболее правильный вариант. Благодаря какому процессу в ходе митоза образуются дочерние клетки с набором хромосом, равным материнскому
1) образования хроматид
2) спирализации хромосом
3) растворения ядерной оболочки
4) деления цитоплазмы

Выберите один, наиболее правильный вариант. Связь, возникающая между азотистыми основаниями двух комплементарных цепей ДНК
1) ионная
2) пептидная
3) водородная
4) ковалентная полярная

Выберите один, наиболее правильный вариант. К биологическим полимерам относят молекулу
1) рибозы
2) глюкозы
3) аминокислоты
4) ДНК

Выберите один, наиболее правильный вариант. Соединение двух цепей в молекуле ДНК происходит за счет
1) гидрофобных взаимодействий нуклеотидов
2) пептидных связей между азотистыми основаниями
3) взаимодействий комплементарных азотистых оснований
4) ионных взаимодействий нуклеотидов

Выберите один, наиболее правильный вариант. Копией одного или группы генов, несущих информацию о структуре белков, выполняющих одну функцию, является молекула
1) ДНК
2) тРНК
3) АТФ
4) иРНК

ДНК
Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Выберите особенности строения молекулы ДНК.
1) одноцепочная молекула
2) содержит урациловый нуклеотид
3) двуцепочная молекула
4) спиралевидная молекула
5) содержит рибозу
6) цепи удерживаются водородными связями

ДНК УДВОЕНИЕ
Установите, в какой последовательности происходит процесс репликации ДНК. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) образование двух молекул ДНК из одной
2) присоединение к каждой цепи ДНК комплементарных нуклеотидов
3) воздействие фермента ДНК-полимеразы на нуклеотиды
4) раскручивание молекулы ДНК

ДНК - РНК
1. Установите соответствие между характеристикой и нуклеиновой кислотой: 1) ДНК, 2) РНК. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) транспортирует активированные молекулы аминокислот к месту синтеза белка
Б) является составной частью рибосом
В) не способна к репликации
Г) в прокариотических клетках представлена в виде кольцевой молекулы
Д) является главным хранителем генетической информации клетки
Е) содержит азотистое основание - тимин

2. Установите соответствие между характеристикой и нуклеиновой кислотой: 1) ДНК, 2) РНК. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) состоит из одной полинуклеотидной цепи
Б) содержит углевод дезоксирибозу
В) состоит из двух полинуклеотидных антипараллельных цепей
Г) способна к репликации
Д) содержит углевод рибозу
Е) содержит азотистое основание урацил

ДНК - тРНК
Установите соответствие между характеристикой молекулы нуклеиновой кислоты и ее видом: 1) тРНК, 2) ДНК. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) состоит из одной полинуклиотидной цепи
Б) транспортирует аминокислоту к рибосоме
В) состоит из 70-80 остатков нуклеотидов
Г) хранит наследственную информацию
Д) способна к репликации
Е) представляет собой спираль

ДНК - иРНК ОТЛИЧИЯ
Выберите три варианта. Чем молекула ДНК отличается от молекулы иРНК?
1) способна самоудваиваться
2) не может самоудваиваться
3) участвует в реакциях матричного типа
4) не может служить матрицей для синтеза других молекул
5) состоит из двух полинуклеотидных нитей, закрученных в спираль
6) является составной частью хромосом

иРНК - тРНК
Установите соответствие между признаком нуклеиновой кислоты и ее видом: 1) и-РНК, 2) т-РНК. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) имеет форму клеверного листа
Б) доставляет аминокислоты к рибосоме
В) имеет самые маленькие размеры из нуклеиновых кислот
Г) служит матрицей для синтеза белков
Д) передает наследственную информацию из ядра к рибосоме

иРНК - рРНК - тРНК
Установите соответствие между характеристиками и органическими веществами клетки: 1) иРНК, 2) тРНК, 3) рРНК. Запишите цифры 1-3 в порядке, соответствующем буквам.
А) доставляет аминокислоты для трансляции
Б) содержит информацию о первичной структуре полипептида
В) входит в состав рибосом
Г) служит матрицей для трансляции
Д) активизирует аминокислоту

НУКЛЕОТИД ИЗ ДРУГОЙ ПАРЫ
1. В ДНК на долю нуклеотидов с тимином приходится 23%. Определите процентное содержание нуклеотидов с гуанином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите соответствующее число.

2. В ДНК на долю нуклеотидов с цитозином приходится 13%. Определите процентное содержание нуклеотидов с аденином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

3. В ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 18%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

4. В ДНК на долю нуклеотидов с тимином приходится 36%. Определите процентное содержание нуклеотидов с гуанином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

5. В ДНК на долю нуклеотидов с тимином приходится 28%. Определите процентное содержание нуклеотидов с гуанином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

НУКЛЕОТИД ИЗ ЭТОЙ ЖЕ ПАРЫ
1. Фрагмент молекулы ДНК содержит 15% аденина. Сколько тимина в этом фрагменте ДНК? В ответ запишите только число (количество процентов тимина).

2. В некоторой молекуле ДНК на долю нуклеотидов с гуанином приходится 28%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

3. В некоторой молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 37%. Определите процентное содержание нуклеотидов с тимином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

НУКЛЕОТИД - СУММА ОДНОЙ ПАРЫ
1. Какое процентное содержание нуклеотидов с аденином и тимином в сумме содержит молекула ДНК, если доля ее нуклеотидов с цитозином составляет 26% от общего числа? В ответе запишите только соответствующее число.

2. В ДНК на долю нуклеотидов с цитозином приходится 15%. Определите процентное содержание нуклеотидов с тимином и аденином в сумме, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

СУММА ОДНОЙ ПАРЫ - НУКЛЕОТИД
1. Какой процент составляют нуклеотиды с аденином в молекуле ДНК, если нуклеотиды с гуанином и цитозином вместе составляют 18%? В ответе запишите только соответствующее число.

2. В ДНК на долю нуклеотидов с гуанином и цитозином приходится 36%. Определите процентное содержание нуклеотидов с аденином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

3. В некоторой молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином и тимином в сумме приходится 26%. Определите процентное содержание нуклеотидов с гуанином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

4. В некоторой молекуле ДНК на долю нуклеотидов с цитозином и гуанином в сумме приходится 42%. Определите процентное содержание нуклеотидов с аденином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

5. В некоторой молекуле ДНК на долю нуклеотидов с аденином и тимином в сумме приходится 54%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав этой молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

СУММА РАЗНЫХ ПАР
1. Фрагмент молекулы ДНК содержит 10% тимина. Сколько аденина и гуанина в сумме в этом фрагменте ДНК? В ответ запишите только количество аденина и гуанина в сумме.

2. В ДНК на долю нуклеотидов с тимином приходится 35%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином и аденином в сумме, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число.

МАТЕМАТИКААА
Сколько нуклеотидов с цитозином содержит молекула ДНК, если количество нуклеотидов с тимином 120, что составляет 15% от общего числа? В ответе запишите соответствующее число.

В РНК на долю нуклеотидов с урацилом и аденином приходится по 10%. Определите процентное содержание нуклеотидов с тимином входящих в состав комплементарной, двуспиральной цепи ДНК. В ответе запишите только соответствующее число.

Участок цепочки ДНК бактериофага лямбда содержит 23 нуклеотида с тимином, сколько нуклеотидов с цитозином в этом участке, если его протяженность 100 нуклеотидов? В ответ запишите только количество нуклеотидов.

В молекуле и-РНК содержится 200 нуклеотидов с урацилом, что составляет 10% от общего числа нуклеотидов. Сколько нуклеотидов (в %) с аденином содержит одна из цепей молекулы ДНК? В ответе запишите соответствующее число.

Фрагмент молекулы ДНК содержит 60 нуклеотидов. Из них 12 нуклеотидов приходится на тимин. Сколько гуаниновых нуклеотидов содержится в этом фрагменте? В ответе запишите только число.

Участок одной из двух цепей молекулы ДНК содержит 300 нуклеотидов с аденином (А), 100 нуклеотидов с тимином (Т), 150 нуклеотидов с гуанином (Г) и 200 нуклеотидов с цитозином (Ц). Сколько нуклеотидов содержится в двух цепях ДНК? Ответ запишите в виде числа.

1. Сколько нуклеотидов включает фрагмент двуцепочечной молекулы ДНК, содержащий 14 нуклеотидов с аденином и 20 нуклеотидов с гуанином? В ответе запишите только соответствующее число.

2. Сколько нуклеотидов включает в себя фрагмент двуцепочечной молекулы ДНК, если в нём содержится 16 нуклеотидов с тимином и 16 нуклеотидов с цитозином? В ответе запишите только соответствующее число.

1. Проанализируйте таблицу. Наполните пустые ячейки таблицы, используя понятия и термины, приведенные и списке. Для каждой ячейки, обозначенной буквами, выберите соответствующий термин из предложенного списка.
1) урацил
2) построение тела рибосомы
3) перенос информации о первичной структуре белка
4) рРНК
5) ДНК
6) тимин

2. Проанализируйте таблицу. Для каждой ячейки, обозначенной буквами, выберите соответствующий термин из предложенного списка.
1) рРНК
2) образование в комплексе с белками тела рибосомы
3) хранение и передача наследственной информации
4) урацил
5) тРНК
6) аминокислота
7) ДНК
8) синтез иРНК

Рассмотрите рисунок с изображением фрагмента молекулы биополимера. Определите, (А) что служит ее мономером, (Б) в результате какого процесса увеличивается число этих молекул в клетке, (В) какой принцип лежит в основе ее копирования. Для каждой буквы выберите соответствующий термин из предложенного списка.
1) комплементарность
2) репликация
3) нуклеотид
4) денатурация
5) углевод
6) трансляция
7) транскрипция

Рассмотрите рисунок с изображением молекулы органического вещества и определите (А) класс органического вещества, (Б) мономеры этого вещества и (В) функцию, выполняемую этим веществом. Для каждой ячейки, обозначенной буквой, выберите соответствующий термин из предложенного списка.
1) транспортная
2) энергетическая
3) белки
4) нуклеотиды
5) нуклеиновые кислоты
6) моносахариды
7) аминокислоты
8) хранение наследственной информации

После того как молекулу ДНК научились выделять из клетки, то вскоре убедились, что ведёт она себя как обычный линейный полимер. У неё было 2 конца, и никто не сомневался, что это обычная линейная цепь. Правда, возникали сомнения, какие гены считать концевыми. Поэтому генетические карты рисовали в виде кольцевых диаграмм. Впоследствии оказалось, что именно такие карты и отражают истинное строение молекул.

Изучая маленькие ДНК онкогенных вирусов, вызывающих рак, специалисты обнаружили, что некоторые из них замкнуты в кольца. Однако большого интереса это не вызвало. Мало ли какая форма у молекул в вирусах. Но всё-таки кольцевая молекула ДНК вскоре заставила обратить на себя внимание. Дело в том, что даже если маленькая ДНК в вирусной частице линейна, то после проникновения вируса в клетку, замыкается в кольцо.

Оказалось, что перед началом репликации линейная молекула приобретает репликативную форму. В ней обе комплементарные цепи образуют кольца. Такая форма оказалась у ДНК бактерий кишечной палочки. Плазмиды всегда кольцевые. Одним словом, главная молекула в прокариотической клетке всегда имеет кольцевую форму. А вот, что касается эукариот, то её хромосомная ДНК всегда линейная. Отсюда возникает закономерный вопрос: зачем прокариотической клетке замыкать главную молекулу в кольцо?

Сверхспирализация

В главной молекуле комплементарные цепи обвивают друг друга, как лианы. Когда они замыкаются, то два кольца сцепляются так, что их невозможно развести. Существующий в ней порядок зацепления 2-х цепей не может измениться. При этом замкнутая молекула ДНК обладает особыми свойствами, которые резко отличаются от линейной молекулы. Дело же в том, что в кольцевом образовании запасается впрок энергия в виде так называемых сверхвитков.

Отсюда специалисты сделали вывод, что сверхспирализация не исключение, а правило. Но разговор-то шёл о выделенных из клеток молекулах. А какую форму они имеют внутри клеток? Выяснилось, что там они совсем другие. То есть сверхспирализация представляет собой реакцию на насильственное извлечение главной молекулы из родной стихии. Ведь условия, в которых находится ДНК внутри клетки, кардинально отличаются от условий вне её.

В клетке главная молекула связана с белками, которые раскрывают двойную спираль и расплетают в этих местах 2 цепи. Но если молекулу очистить от белков, то она тут же перейдёт в сверхспирализованное состояние. Так вначале объяснили явление сверхспирализации, не придав ему никакого биологического значения. Однако впоследствии выяснилось, что всё не так просто.

В наши дни существует много гипотез о роли сверхспирализации в работе клетки. Мы рассмотрим одну из них, которая кажется наиболее простой и правдоподобной. Возникла эта гипотеза на том основании, что перед тем, как начать удваиваться, главная молекула закручивается в сверхспираль. Но для процесса репликации такая спираль не нужна. Более того, часто перед этим процессом одна из цепей ДНК рвётся. Разрыв делает специальный белок. Получается бессмыслица: один белок закручивает молекулу в сверхспираль, а другой немедленно ликвидирует.

Объяснение этому может быть только одно: клетка проверяет свою главную молекулу на целостность сахаро-фосфатной цепи. То есть имеет место своеобразный технический контроль на молекулярном уровне. Иными словами, в клетке существует репарирующая система, которая залечивает повреждения. Для этого у неё имеется множество ферментов. Нуклеазы рвут цепь ДНК вблизи повреждённого нуклеотида. Другие ферменты удаляют испорченное звено. При этом генетическая информация сохраняется, и удалённая часть цепи восстанавливается.

Таким образом, клетка постоянно залечивает раны, которые наносятся главной молекуле. Что случится, если одновременно с ремонтом начнётся процесс репликации? Дойдя до разрыва цепи, полимераза, осуществляющая репликацию, остановится. В результате не сможет идти ни один, ни другой процесс. Это катастрофа. Поэтому репликацию следует начинать только после завершения ремонта. А как в этом убедиться?

Вот тут на помощь и приходи сверхспирализация. Ведь она возможна лишь в той главной молекуле, у которой обе цепи целые. А проверить это очень просто. У сверхспирали гораздо легче развести комплементарные цепочки, то есть раскрыть двойную спираль. Если же цепь не разводится, то необходимо ждать, так как главная молекула пока ещё не готова к воспроизведению. Отсюда следует вывод: кольцевая молекула ДНК обеспечивает сверхспирализацию. Ведь в линейной цепи её осуществить невозможно.

Из чего состоит ДНК? Кому и когда удалось найти эту молекулу в клетках людей, и прочих живых существ? В чём уникальность открытия механизма наследования и чем это обернулось для всего человечества, читайте далее в этой статье.

История

Открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло в 1869 году. И принадлежит открытие Иоганну Фридриху Мишеру. Он был биологом из Швейцарии и занимался изучением гноя. По большому счёту открытие можно назвать случайным, и сам Мишер не понял, что именно он открыл. Он назвал своё открытие нуклеином. А позже нуклеиновой кислотой, когда у неё обнаружились кислотные свойства.

Назначение этой кислоты было загадочно и неизвестно, хотя некоторые учёные уже поднимали вопрос о наследственности и существовании механизмов наследования. Современное представление о том из чего состоит цепь ДНК, было сформировано Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году. Несколько ранее, в середине тридцатых годов советские ученые А.Р. Кезеля и А.Н. Белозерский доказали, что ДНК встречается у всех живых видов. До их работы считалось, что эта молекула присутствует только в организме животных видов, а в растениях присутствует только РНК.

Тот факт, что дезоксирибонуклеиновая кислота является механизмом сохранения наследственной информации, был открыт только в 1944 году группой исследователей из Освальда. Так, совокупными усильями разных учёных мира была приоткрыта тайна эволюционного процесса и механизмов в его основе.

Использование в медицине

Открытие того из чего состоит молекула ДНК дало толчок к развитию множества новых услуг и направлений экспериментальной медицины. Благодаря новым технологиям, которые стали возможны вследствие исследования генома, сегодня почти любому доступны:

1. Диагностика заболеваний на сверхранней стадии. Анализ позволяет выявить инфекцию, даже если заболевание находится в инкубационном периоде, и нет ни каких симптомов.
2. Определение отцовства. Так же материнства и прочих родственных связей. При этом различные тесты можно проводить, как с участием потенциальных родителей, так и без них.
3. Тестирование на непереносимость пищевых продуктов. Какие вещества хорошо усваиваются организмом, какие плохо или не усваиваются вовсе, что вызывает аллергические реакции – всё это расскажут результаты индивидуального исследования.
4. Анализ этнической принадлежности – с какими народами перекрещивались далекие предки, и какие национальности формируют вас сегодня.
5. Исследование на наличие наследственных заболеваний, в том числе и спящих, которые передаются через поколение и более.

И это только самые востребованные тесты, имеющие коммерческий интерес и полезные для простого обывателя. Если говорить о перспективах лабораторных научных исследований, то многие учёные-генетики не без энтузиазма готовятся совершить самое великое открытие за всю человеческую историю - победить болезни и саму смерть.

Строение молекулы ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота состоит из двух цепочек нуклеотидов, которые объединены меж собой водородными связями и закручиваются в двойную спираль. Нуклеотиды в каждой цепи - это кирпичики, из которых складываются гены, биологическая их кодировка. Для каждого гена его место положения в цепочке и порядок нуклеотидов условно одинаков. Условно поскольку у одного гена возможны вариации, различное расположение некоторых нуклеотидов в составе гена. Но, в таком случае вместе со сменой структуры меняется и функциональность самого гена.

Путь от цепочки к хромосоме

У всех живых организмов клеточная структура и эти клетки содержат внутри себя ядро – такие клетки называются эукариоты. У бактерий и архей (древних одноклеточных организмов) такого ядра нет. Так же ядра в клетке нет у вирусов и вироидов ( инфекционных агентов, вызывающих болезни растений), но считать ли их живыми до сих пор вопрос дискуссионный.

Ядра клеток содержат в себе структуры, хранящие наследственную информацию – хромосомы. А вот сама хромосома и содержит внутри себя спиральную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая осуществляет функцию хранения наследственной информации.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Спираль генов, как не казалась бы она мала, всё же очень большая для микромира. Вероятно отсюда и её спиральная форма, которая позволяет ей быть более компактной. Помимо обычной спиральности ДНК может закручиваться и в форму суперспирали. Суперспирализация – это явление, когда двойная спираль накручивается на гистоновый белок, и получается, что-то вроде биокатушки. Если закручивание в двойную спираль укорачивает цепочку генов в 5 или 6 раз, то суперспирализация доводит это сокращение до 30 раз.

Как гены связаны с ДНК

Гены это самая изученная и расшифрованная на сегодня часть ДНК. Так, каково строение генов ДНК? Фактически цепочки нуклеотидов из генов и состоят. Именно гены определяют цвет глаз, волос, форму черепа, рост, группу крови и прочие физиологические качества.

Остаётся ещё много областей генома, функциональность которых не известна. Всё, что пока о них могут сказать генетики, это то, что данные области генома не участвую (по крайней мере, напрямую) в формировании организма и его функционировании.

Хромосома: определение и описание

Считается, что хромосомы это нуклеотидные биомеханизмы, которые находятся в ядре клетки. Эти биомеханизмы являются носителями и передатчиками наследственной информации, и в свою очередь содержат в себе двойную спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Чем отличаются хромосомы друг от друга

На примере Х хромосомы, цепи нуклеотидов могут пересекаться внутри хромосомы различно:

1. В перекрестии хромосомы, пересекаясь точно посередине друг друга.
2. Там же, но пересекаясь не точно.

Во втором случае одни концы получившегося перекрестия будут длиннее, а другие короче. Называют такие концы длинным и коротким плечом хромосомы. Отсюда и форма Y хромосомы, у которой ярко выражены длинные плечи, а короткие настолько не велики, что схематически не указываются.

Науке известных хромосомы трёх основных форм:

• Х хромосома, которая встречается у женщин и у мужчин.
• Y хромосома, встречающаяся только у мужчин.
• В хромосома изредка встречается у растений, и считается отмирающей, поскольку редко наследуется. Обычно её наличие в растении связывают с его слабостью и болезненностью.

Наследственные болезни

Генетический код это очень многофункциональная и противоречивая структура. С одной стороны он должен хранить информацию в неизменном эталонном виде, и эта функция проявляется возможностью ДНК восстанавливать искусственные повреждения в следующем поколении. С другой же стороны, геном может быть либо поврежден, либо измениться сам, что называют мутацией.

Мутации естественное свойство генов, и последствия этих мутация бывают, как отрицательные, так и положительные. Хоть мутации и называют поломками, но это определение спорно. Некоторые мутации в чём-то ослабляют организм – именно эти мутации и ищут во время тестирования на непереносимость пищевых продуктов.

Такие мутации создают повышенные риски возникновения, какого либо заболевания при соблюдении некоторых факторов. Соответственно, если исключить эти факторы из своей жизни, то с ними будут исключены и вероятности возникновения заболевания.

Существуют и более сложные повреждения ДНК человека, которые вызывают врождённые наследственные заболевания. Например, одна лишняя хромосома в 21 паре вызывает у человека болезнь Дауна с самого рождения.

Расшифровка ДНК

Для удешевления медицинских и генетических исследований всю расшифровку генома разделили тематически. Так стали появляться различные тестирования, по этому принципу они и планируются – выборка генов отвечающих за интересующие тематику исследования процессы.

Синтез РНК

Нуклеотиды (из которых формируются гены) подразделяются на 4 образующих элемента: аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые содержат остатки фосфора, пептозы и азотистого основания. В цепочках ДНК эти нуклеотиды располагаются параллельно друг другу строгими парами: аденин только с тимином, а гуанин только с цитозином.

Необходимо подчеркнуть, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты ни целиком, ни частично не может (или не должна) покинуть пределов ядра. РНК выступает в роли копии участка цепи генома, которая способна покинуть ядро, попасть в саму клетку и воздействовать на идущие в ней процессы. И происходит это удивительным образом:

• Спираль генов раскручивается на одном из своих участков и формирует развернутые нити обоих цепочек генов.
• К развернутому участку подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует копию.
• У копии есть одно ключевое отличие от оригинальной структуры нуклеотидов: тимин во всех парах ней заменён на урацил. Это и позволяет ей покидать пространство ядра клетки.

Синтез белка при помощи генов

Основное взаимодействие, которое происходит между генами и клеткой заключается в том, что разные гены могут заставлять клетку синтезировать различные белки с самыми неожиданными свойствами. Так группа генов участвующих в процессе старения клетки может, как заставить её стареть быстрее, так и омолаживаться. Тоесть, генов не только много, каждый из них может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Факты о ДНК

1. Редко, но бывают случаи, когда при беременности сначала развиваются близнецы, но потом они сливаются в единого человека. У таких людей двойное ДНК.
2. Иногда и генная криминалистика даёт сбои. Так, после пересадки костного мозга в теле пациента присутствует некоторое количество ДНК донора, и это может привести к ошибке тестирования.
3. Самым похожим на человеческий геном ДНК обладают земляные черви.
4. Вся цифровая информация в мире могла бы поместиться в двух граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.