Несколько десятилетий назад определение нуклеотидной последовательности ДНК организма было почти невыполнимой задачей. Сегодня же секвенирование ДНК стало для специалистов чуть ли не рутинной работой – и тщательное изучение геномов принесло множество сюрпризов. Например, ученые обнаружили в генетическом материале ядерных организмов до 98 % молчащей, не кодирующей белки ДНК. Какие тайны скрываются в этих участках? Этот курс познакомит вас с основными терминами и современными исследованиями в области генетики. От разбора молекулярного носителя наследственности, молекулы ДНК мы перейдем к подробному изучению ее функциональных единиц – генов. Вы научитесь решать увлекательные генетические задачи и ориентироваться в причинах и последствиях мутаций. Студенты узнают законы классической генетики и столкнутся с тем, что и здесь на каждое правило есть свое исключение. Почему у голубоглазых родителей не может быть кареглазых детей? Что общего между дальтонизмом у человека и черепаховой окраской у кошек? Отчего седеют лошади и не слышит голубоглазый кот? Вместе с учеными-генетиками мы ответим на эти и другие вопросы и увидим, какие серьезные изменения в эволюционной биологии и биомедицине произошли сегодня благодаря появлению современных методов исследования ДНК. Наш курс состоит из пяти модулей, название и структуру которых вы можете видеть ниже. Общая оценка за курс складывается как общая сумма баллов, набранных вами за итоговые тесты по модулям и итоговый тест по всему курсу.
1.1. Структура ДНК
Loading...
来自 Novosibirsk State University 的课程
Генетика (Genetics)
424 个评分
从本节课中
ДНК – ОСНОВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
В этой части курса мы с вами познакомимся с основными принципами строения молекул ДНК, которые служат материальной основой наследственности – способности организмов передавать особенности своего строения от родителей к потомкам. Функционально значимые участки ДНК – гены – хранят информацию об аминокислотном составе белков организма, записанную с помощью генетического кода. Генетический код универсален для всех организмов нашей планеты, одинаковы и основные закономерности копирования и передачи наследственной информации.
Но существуют и удивительные исключения, позволяющие организмам, например, считывать с одного гена разные белки или передавать гены не своим потомкам.
与讲师见面
Анна ЮшковаКандидат биологических наук, доцент
Кафедра естественнонаучных дисциплин ВКИ НГУ
[ЗАСТАВКА] [ЗАСТАВКА]
[ЗАСТАВКА]
[ЗАСТАВКА]
[ЗАСТАВКА] Все живые
организмы нашей планеты можно разделить на две большие группы, на две империи.
Это организмы имеющие ядра — эукариотические организмы,
и более просто устроенные — прокариотические.
Ядра в их клетках нет.
Но общие принципы хранения и реализации наследственной
информации схожи и у ядерных и у безъядерных.
Наследственный материал всех организмов, клеточных организмов,
заключен в крупных полимерных молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК.
Молекулы ДНК хранят генетическую информацию,
то есть информацию о структуре самых многофункциональных,
самых разнообразных, самых массовых молекулах организма — о белках.
Происходит считывание этой информации в направлении ДНК — РНК — белок.
Более того, в природе известны даже более редкие процессы.
Допустим, не только синтез РНК по ДНК, но и обратный — синтез РНК по РНК,
синтез ДНК по ДНК, и даже синтез молекулы ДНК по матрице РНК.
Спрашивается, как нуклеиновые кислоты могут
служить основой для синтеза друг друга?
Почему возможны все эти процессы?
Но для этого сначала надо разобраться со строением нуклеиновых кислот.
Все нуклеиновые кислоты — это полимерные молекулы,
мономерами которых являются нуклеотиды.
Каждый отдельный нуклеотид — это довольно сложная, крупная органическая молекула,
состоящая из трех блоков: азотистое основание,
пятиуглеродный сахар (пентоза) и остаток фосфорной кислоты.
Азотистое основание — это гетероцикл, циклическая структура,
в состав которой входят атомы углерода и атомы азота,
ну плюс водород и разнообразные функциональные группы.
Пентоза (пятиуглеродный сахар) представлена только двумя
вариантами: либо рибозой, либо дезоксирибозой.
Они отличаются одной гидроксильной группой.
В рибозе она есть, в дезоксирибозе ее не хватает.
А вот азотистые основания в природе представлены разнообразными вариантами,
но в состав нуклеиновых кислот входят пять самых основных,
самых, получается, распространенных.
Это аденин и гуанин — немножечко более крупные азотистые основания,
потому что они построены на основе пурина.
И три варианта оснований помельче на шестичленном гетероцикле,
на пиримидиновом — это цитозин, тимин и урацил.
Но в состав каждой нуклеиновой кислоты входят только
четыре азотистых основания из этого набора.
В состав ДНК — аденин, тимин, гуанин и цитозин, а в состав РНК — тимин не входит.
Вместо тимина в РНК используется урацил.
Значит, если посмотреть на структуру нуклеотида более подробно,
вот она представлена на схеме, то видно, ну, во первых,
особенность химической номенклатуры — нумерация атомов в гетероцикле
идет арабскими цифрами строго по порядку, там с первого — сколько наберется,
а номерация атомов в пентозе тоже арабскими цифрами, тоже по порядку,
но чтобы не путать одни и другие цифры, в пентозе их номеруют со штрихом.
И вот пентоза, ну в данном случае представлена рибоза,
она является как бы таким образующим центром, и за первый свой углеродный атом,
за 1' атом, она соединена с первым атомом в азотистом основании.
Здесь это аденин.
За 5-й атом в пентозе, за 5' атом, присоединяется остаток фосфорной кислоты.
Ну у пентозы остается еще две гидроксильные группы,
которыми она может работать.
Может образовывать химические связи.
И когда нуклеотиды соединяются в нуклеиновую кислоту,
как раз по 3' положению пентозы присоединяется остаток
фосфорной кислоты из следующего нуклеотида.
Возникает сложноэфирная связь.
Но это для химика.
Для биохимика важнее другое — особенность синтеза.
То есть направление цепи идет от 5' атома и продолжается к 3' атому.
А вот посмотрите, если изобразить нуклеиновую кислоту упрощенно,
то мы получаем, что есть сахарофосфатный остов: фосфат — сахар,
фосфат — сахар каждого последующего нуклеотида,
и азотистое основание смотрит как бы немножечко в сторону от этой цепи.
В таком виде — в виде одной цепочки,
полинуклеотидной цепочки, существует молекула РНК.
Молекула ДНК немножечко сложнее.
В молекуле ДНК две полинуклеотидные цепи.
Они направлены в разных направлениях.
То есть если вот на этой схеме сверху вниз одна идет от 5' к 3',
то вторая — снизу вверх идет от 5' к 3'.
Но главное даже не в этом.
Основное — это почему удерживаются полинуклеотидные нити друг около друга.
Они удерживаются потому,
что между азотистыми основаниями возникают водородные связи.
Не где попало, не как угодно,
а только определенные пары могут образовать эти водородные связи.
Такие пары называют комплементарными парами.
Ну комплементарность, это структурное соответствие.
И вот аденин соответствует тимину и может образовать две водородных связи,
а гуанин соответствует цитозину, и они могут образовать три водородных связи.
Водородные связи слабые, но их очень много в молекуле ДНК.
Молекула ДНК — это очень крупный полимер.
В ней не только миллионы, в ней могут быть миллиарды пар оснований,
и, соответственно,
миллионы и миллиарды водородных связей удерживают эти нити друг напротив друга.
Получается очень устойчивая конструкция.
После того, как полинуклеотидные нити молекулы ДНК сформированы,
она не остается в таком прямом виде, она сразу же спирализуется.
То есть это более устойчивая структура в водной среде.
Говорят, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль.
И самое важное в этой спирали, в поддержании ее устойчивости,
это комплементарные азотистые основания.
Комплементарные друг другу.
Это дает для молекулы ДНК две возможности.
Во первых, репарацию легко осуществить,
если мы знаем, какое должно стоять основание напротив аденина,
а напротив аденина, мы уже знаем, всегда стоит тимин.
То если с этим тимином что-то произошло, то ферменты репарации,
а они постоянно отслеживают строение молекулы ДНК,
они всегда легко поставят нужный тимин против аденина.
То есть вот репарация — процесс восстановления молекулы ДНК возможен
именно потому, что азотистые основания комплементарные друг другу.
И наличие систем репарации в клетках организмов — и в ядерных, и в безъядерных,
это очень полезные системы, позволяющие сохранять молекулу ДНК стабильной.
Ну а для того, чтобы передать молекулу ДНК потомкам,
существует второй процесс — репликация, процесс копирования,
который тоже базируется на принципах комплементарности.
Тут уже придется разрушить водородные связи на каком-то участке, это непростой
процесс — их слишком много, поэтому здесь будут работать специальные ферменты.
То есть целый комплекс работает над репликацией ДНК,
но когда нити окажутся пространственно доступными, то фермент по
имени ДНК-полимераза, фермент, который умеет строить полимер ДНК,
начиная свою работу в какой-то определенной точке,
напротив каждого основания поставит ему комплементарный и соединит их между собой.
В результате из одной молекулы ДНК, а синтез идет сразу по двум цепям
одновременно, мы получим две молекулы ДНК, которые можно будет передавать потомкам.
Это будут полностью идентичные копии.
И вот еще один интересный момент, касающийся молекулы ДНК.
Эта молекула, конечно, огромная в плане молекулярной массы,
потому что ее составляют очень много азотистых оснований, и поэтому,
если бы мы ее вытянули всю в длину, она была бы очень длинной.
Например, в клетках человека, если растянуть всю ДНК,
она составит около двух метров.
Одна молекула.
Диаметр у нее будет 2 нм, а длина — пара метров.
Поскольку 250 млн пар нуклеотидов,
150 млн пар нуклеотидов — это нормальные цифры для размера молекулы ДНК.
В форме двойной спирали, естественно, она в клетках не находится.
Это слишком вытянуто.
Двойная спираль компактно упаковывается с помощью разнообразных белков.
Ну вот, например, первый этап упаковки, самый важный и хорошо
изученный в общем-то этап — это упаковка на гистоновые белки.
Гистоновые белки собираются в такие комплексы, по восемь штук,
и на этот округлый комплекс, как нитка на шпульку, наматывается молекула ДНК.
Получающаяся структура носит название нуклеосомы.
И вот когда молекула ДНК вся намотается на гистоновые белки,
эта нуклеосомная нить она уже короче исходной молекулы ДНК в 6 раз.
Но процесс на этом не останавливается.
Нуклеосомная нить начинает укладываться, спирализоваться дальше,
потом идут образование петель и снова спирализация, и еще раз, и еще раз,
то есть говорят о том, что происходит процесс суперспирализации молекулы ДНК.
Там работают разные структурные белки.
Гистоновые — это только начальный этап.
Но в супер-суперкомпактном состоянии ДНК не всегда находится.
Суперкомпактное состояние — это для деления клеток.
Вот так вот они будут выглядеть под микроскопом,
мы будем говорить о хромосомах, эти структуры видны в световой микроскоп.
Но это только во время деления клетки.
В течении обычного своего жизненного цикла, большей части своей жизни,
в клетках ДНК, конечно, упакована, но не так плотно.
И более того, она упакована неравномерно.
Отдельные участки, те которые активные, раскручены сильнее, а те участки,
которые в данный момент времени не работают,
ну они уложены несколько плотнее.
