Макромолекулярная и надмолекулярная организация днк кратко
Обновлено: 05.07.2024
МАКРОМОЛЕКУЛЯРНАЯ и НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ДНК. НУКЛЕОТИДЫ и АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ: 1. ДНК – БИОПОЛИМЕР (МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ); 2. МОНОМЕРЫ, СТРОЯЩИЕ МАКРОМОЛЕКУЛУ ДНК - НУКЛЕОТИДЫ (4); 3. НУКЛЕОТИД СОСТОИТ из АЗОТИСТОГО ОСНОВАНИЯ (4), ПЯТИУГЛЕРОДНОГО САХАРА ДЕЗОКСИРИБОЗЫ и ОСТАТКА ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ; РАЗНЫЕ НУКЛЕОТИДЫ РАЗЛИЧАЮТСЯ АЗОТИСТЫМИ ОСНОВАНИЯМИ; 4. АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ: ДВА – это ПУРИНЫ (АДЕНИН и ГУАНИН), а ДВА – это ПИРИМИДИНЫ (ЦИТОЗИН и ТИМИН); 5. В МАКРОМОЛЕКУЛЕ ДНК НУКЛЕОТИДЫ СОЕДИНЕНЫ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ между САХАРОМ и ФОСФАТОМ; 6. БИСПИРАЛЬ ДНК (НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ) ВЗАИМОКОМПЛЕМЕНТАРНЫЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ ДНК УДЕРЖИВАЮТСЯ ВОДОРОДНЫМИ СВЯЗЯМИ между ПУРИНАМИ и ПИРИМИДИНАМИ (А-Т и Г-Ц); РАССТОЯНИЯ между ОСНОВАНИЯМИ в ПАРАХ А-Т и Г-Ц РАВНЫ, что ДЕЛАЕТ МАКРОМОЛЕКУЛЫ ДНК в БИСПИРАЛИ АНТИПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ; в ПАРЕ А-Т 2 ВОДОРОДНЫХ СВЯЗИ, в ПАРЕ Г-Ц их 3. 7. ДИАМЕТР БИСПИРАЛИ 2нм, РАССТОЯНИЕ в ПАРАХ ОСНОВАНИЙ 0,34нм, ВИТОК БИСПИРАЛИ ВКЛЮЧАЕТ 10 ПАР НУКЛЕОТИДОВ (В-СПИРАЛЬ); 8. НАИБОЛЬШУЮ ДЛИНУ ИМЕЕТ БИСПИРАЛЬ ДНК ХРОМОСОМЫ 1 ЧЕЛОВЕКА (263 млн. п.н.), НАИМЕНЬШУЮ – ХРОМОСОМЫ 21 (50 млн. п.н.).
Цитология
Молекулой, с которой связано сохранение в клетках биологической (наследственной, генетической) информации, является ДНК. Ею обеспечиваются передача качественно и количественно полноценной информации в ряду клеточных поколений и использование этой информации для организации клеточных функций. Первая из названных задач решается путем воспроизведения идентичных двойных спиралей ДНК, вторая — путем биосинтеза белков. На заре биогенеза роль носителя генетической информации принадлежала, видимо, РНК (см. п. 1.4.6). Выбор эволюции в пользу ДНК обусловлен ее большей химической инертностью и, следовательно, стабильностью. Стабильности вещества наследственности в мире жизни принадлежит особое место. Минимизация искажения информации за счет хи-
Генетическая (биологическая) информация записана по длине молекул ДНК в виде последовательности нуклеотидов, тогда как способность передавать эту информацию от клетки к клетке, а также использовать для обеспечения клеточной жизнедеятельности определяется надмолекулярной организацией ДНК в виде двойной спирали, в которой осуществлен принцип комплементарности , Осуществление этого принципа, делая возможным матричный синтез, составляет молекулярно-биологический базис обеих главных функций ДНК — использование информации в целях организации клеточных функций (через механизмы транскрипции и трансляции) и передача информации в ряду клеточных поколений (через механизмы репликации ДНК и митоза). На макромолекулярном уровне в связи с первой функцией речь идет об образовании молекул информационных (матричных) РНК и рибосомном цикле биосинтеза белка, со второй — о копировании и распределении между дочерними клетками биспиралей ДНК.
Биоинформационное обеспечение жизнедеятельности эукариотиче-ских организмов требует сложного генетического аппарата. Основу названного аппарата составляет клеточный геном. Формально геном (термин предложен немецким генетиком Г. Винклером в 1920 г.) определяется как совокупность генов одинарного (гаплоидного) набора хромосом. В связи с открытием некодирующих сайтов (см. п. 4.3.1) ДНК в настоящее время предлагается включать в геном всю совокупность ну-клеотидных последовательностей ДНК гаплоидного набора хромосом организмов определенного вида. При таком определении понятие генома распространяется, во-первых, на гены в понимании классической генетики, то есть на сайты ДНК, кодирующие молекулы РНК, участвующие в белковом синтезе (рибосомные, транспортные), а также белки. Во-вторых, в геном включаются все остальные нуклеотидные последовательности (сайты) ДНК с регуляторными, сервисными, конценсусны-ми и рядом других, нередко еще мало понятых наукой функций.
Макромолекула ДНК — полимер, построенный из мономеров-нуклеотидов (их 4). Нуклеотиды различаются по азотистым основаниям, которые представлены либо пурином (аденин или гуанин), либо пиримидином (цитозин или тимин). Два других компонента молекулы ДНК — пятиуглеродный сахар дезоксирибоза и остаток
Диаметр спирали ДНК составляет 2 нм, расстояние между смежными парами оснований — 0,34 нм, а один виток спирали — 10 пар азотистых оснований или нуклеотидов. Число молекул ДНК равно числу хромосом в ядре клетки. Длина таких молекул различна, поскольку хромосомы имеют разные размеры. У человека наибольшие размеры имеет хромосома 1 (263 млн п.н., минимальное оценочное число генов 2237, из которых ассоциированных с болезнями 157), наименьшие — хромосома 21 (50 млн п.н., минимальное оценочное число генов 204, из которых ассоциированных с болезнями 23). Классическая цитогенетика наименьшие размеры приписывала хромосоме 22. Длина кольцевой митохондриаль-ной ДНК (хромосома М) человека 16 569 п.н.
Наиболее крупный из обнаруженных в природе или синтезированных в лаборатории полимеров — это биспираль ДНК хромосомы 1 длиной 8 см. Размеры геномов оцениваются в пикограммах, дальтонах или в парах нуклеотидов: 1 пг = 10-9 мг = 0,6х1012 дальтон = 0,9х109 п.н. ДНК генома людей состоит из 3,2 млрд п.н., что по весу составляет 3,5 пг. Следовательно, диплоидная соматическая клетка человека содержит примерно 7 пг ДНК.
Рис. 2.23. Первичная (а) и вторичная (б) структура ДНК. Стрелками обозначена антипараллельность цепей
Рис. 2.24. Двойная спираль ДНК (трехмерная третичная структура). I — левоза-крученная Z-форма; II — правозакрученная В-форма
Об информационной емкости генома человека говорит следующий пример. Если ДНК-тексты одной клетки воспроизвести шрифтом телефонных справочников (наиболее мелкий из используемых в полиграфии), то для их издания понадобилось бы 1000 книг по 1000 страниц в каждой.
Организация генетического материала. ДНК
Молекулярной основой наследственности у всех прокариот и эукариот является особый класс биоорганических веществ - нуклеиновые кислоты, подразделяющиеся по своему химическому составу и биологической роли на дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК).
Запись генетической информации осуществляется линейно от 5'-конца к 3'-концу молекулы нуклеиновой кислоты. В состав одной такой молекулы может входить до многих миллионов нуклеотидов.
В клетке молекулы ДНК существуют в виде спирализованной двойной цепи (двойной спирали), нити которой антипараллельны, т.е. имеют противоположную ориентацию. Двойная цепь ДНК образуется благодаря слабым водородным связям между комплементарными основаниями: аденин строго комплементарен тимину, а цитозин - гуанину.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Наследственность и изменчивость являются фундаментальными свойствами живого, так как характерны для живых существ любого уровня организации. Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, называется ГЕНЕТИКОЙ
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ - это свойство живых систем передавать из поколения в поколение особенности морфологии, функции и индивидуального развития в определенных условиях среды.
ИЗМЕНЧИВОСТЬ - это способность дочерних организмов отличаться от родительских форм морфологическими и физиологическими признаками и особенностями индивидуального развития.
НАСЛЕДОВАНИЕ - это способ передачи генетической информации: через половые клетки - при половом размножении, или через соматические - при бесполом, т.е. материальная основа яйцеклетка и сперматозоид, или соматическая клетка.
НАСЛЕДУЕМОСТЬ - это степень соотношения наследственности и изменчивости.
ГЕН - это единица наследственности и изменчивости. По современгны представлениям ген - это участок молекулы ДНК, дающий информацию о синтезе определенного полипептида. Набор генов организма, которые он получает от своих родителей, называется ГЕНОТИПОМ, а содержание генов в гаплоидном наборе хромосом - ГЕНОМОМ.
Совокупность всех внешних и внутренних признаков организма называется ФЕНОТИПОМ , а отдельный признак - ФЕНОМ . Например, форма носа, ушной раковины, пальцев ног и рук, цвет волос - внешние фенотипические признаки, особенности строения желудка, содержание лейкоцитов и эритроцитов в крови - внутренние фенотипические признаки.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ - компоненты клетки, структурно-функциональное единство которых обеспечивает хранение, реализацию и передачу наследственной информации при вегетативном и половом размножении. Генетический материал обладает универсальными свойствами живого: дискретностью, непрерывностью, линейностью, относительной стабильностью
ДИСКРЕТНОСТЬ генетического материала, т.е. существование гена, хромосомы (группы сцепления), генома, выявляется в виде: множества аллелей, составляющих группу сцепления, множества групп сцепления, составялющих геном.
НЕПРЕРЫВНОСТЬ генетического материала (физическая целостность хромосомы) выявляют в виде сцепления множества генов между собой.
ЛИНЕЙНОСТЬ (одномерность записи генетической информации) - в определенной последовательности генов в пределах групп сцепления или сайтов в пределах гена.
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ или способность к конвариантной редупликации, т.е. возникновение и сохранение вариантов в ходе возспроизведения, выявляют в виде мутационной изменчивости.
Всеми этими свойствами обладают молекулы ДНК или реже РНК (у некоторых вирусов), в которых закодирована наследственная информация.
Основными свойствами генетического материала являются:
1. Ген хранит и передает информацию.
2. Ген способен к изменению генетической информации (мутации).
3. Ген способен к репарации и ее передаче от поколения к поколению (процесс восстановления природной структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ДНК в клетке химическими или физическими агентами).
4. Ген способен к реализации - синтезу белка, кодируемого геном при участии двух матричных процессов: транскрипции и трансляции.
5. Генетический материал обладает устойчивостью. Устойчивость генетического материала обеспечивается: - диплоидным набором хромосом; - двойной спиралью ДНК; - вырожденностью генетического кода; - повтором некоторых генов; - репарацией нарушенной структуры ДНК.
Дискретность гена заключается в наличии субъединиц. Элементарная единица изменчивости, единица мутации названа МУТОНОМ, а единица рекомбинации - РЕКОНОМ. Минимальные
размеры мутона и рекона равны 1 паре нуклеотидов и называются с а й т. Таким образом САЙТ - это структурная единица гена.
Согласно современным, уточненным представлениям, ГЕН - это участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты, характеризуемый специфичной для него последовательностью нуклеотидов, представляющий единицу функции, отличной от функции других генов и способный изменяться путем мутирования. Гены неоднородны. Их делят на структурные и функциональные.
Основными первичными функциями генов являются хранение и передача генетической информации. Передача генетической информации происходит при редупликации ДНК (при размножении клеток) и от ДНК через и-РНК к белку (при обычном функционировании клеток).
Система записи генетической информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде определенной последовательности нуклеотидов называется ГЕНЕТИЧЕСКИМ КОДОМ. Явление соответствия порядка нуклеотидов в молекуле ДНК порядку аминокислот в молекуле белка называется КОЛИНЕАРНОСТЬЮ.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД - система записи, свойственная всем живым организмам
Свойства генетического кода:
1) универсальность - один триплет кодирует одну и ту же аминокислоту у всех живых существ;
2) триплетность - т.е. одной аминокислоте соответствуют три рядом расположенных нуклеотида;
3) неперекрываемость - один нуклеотид не может входить одновременно в два и больше триплета;
4) вырожденность (избыточность) - одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов;
5) без разделительных знаков.
1. Генетика - наука о наследственности и изменчивости - фундаментальных свойствах живого.
2. Общие понятия генетического материала и его свойствах.
3. Первичные функции генов. Генетический код и его свойства.
4. Уровни структурной организации наследственного материала: генный, хромосомный, геномный.
5. Генная система клеток про- и эукариот. Роль ядра и цитоплазмы в передаче наследственного материала.
Триплет является элементарной функциональной единицей гена, а пара нуклеотидов - его структурной единицей.
Различают следующие уровни структурно-функциональной организации наследственного материала: генный, хромосомный и геномный.
Элементарной структурой ГЕННОГО уровня организации служит ген. На этом уровне изучается структура молекулы ДНК, биосинтез белка и др. Благодаря относительной независимости генов возможно дискретное (раздельное) и независимое наследование (III закон Менделя) и изменение (мутации) отдельных признаков.
Гены клеток эукариот распределены по хромосомам, образуя ХРОМОСОМНЫЙ уровень организации наследственного материала. Этот уровень организации служит необходимым условием сцепления генов и перераспределения генов родителей у потомков при половом размножении (кроссинговер).
Вся совокупность генов организма в функциональном отношении ведет себя как целое и образует единую систему, называемую ГЕНОМОМ. Один и тот же ген в разных генотипах может проявлять себя по-разному. Геномный уровень организации объясняет взаимодействие генов как в одной, так и в разных хромосомах.
Несмотря на химическую стабильность, нуклеотидные последовательности в макромолекулах ДНК могут быть изменены. При этом такие изменения сохраняются в структуре биополимера при его репликации.
Решение задач, которые жизнедеятельность ставит перед эукариотическими клетками, особенно у многоклеточных форм, требует большой точности и надежности биологических механизмов. Возможно, что, по крайней мере, отчасти в связи с этим, их генетический аппарат (аппарат наследственности и изменчивости) претерпел в эволюции изменения в сторону его усложнения.
В генетическом аппарате эукариотической клетки (эукариотических организмов, включая человека) выделяют три уровня структурной и одновременно функционально-генетической организации: генный, хромосомный и геномный. На каждом из них решаются свои специфические задачи, с одной стороны, наследственности, а с другой, - биологической изменчивости с целью требуемого биоинформационного обеспечения процессов жизнедеятельности, размножения, индивидуального (онтогенез) и исторического (филогенез, эволюция) развития.
Структура ДНК, свойства и функции.
ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар — дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований – аденин, гуанин, тимин, цитозин. Молекулы ДНК включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. Уотсон и Крик предположили, что эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с Тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении. Другой важной особенностью двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность:5-конец одной цепи соединяется с 3-концом другой и наоборот. Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг своей оси. Диаметр спирали 2 нм, длина шага 3,4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Т.о. в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру — полинуклеотидную цепь, вторичную — две комплементарные и антипараллельные цепи и третичную
Структуру — трехмерную спираль.
ДНК способна к самокопированию — репликация. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называется полуконсервативным. Для осуществления репликации материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул. С помощью фермента геликазы двойная спираль ДНК в отдельных зонах расплетается. Образующиеся при этом одноцепочечные участки связываются специальными дестабилизирующими белками. Молекулы этих белков выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей, растягивая их остов и делая азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами. Области расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. В каждой такой области при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется ДНК двух новых дочерних молекул. В процессе синтеза репликационная вилка движется вдоль материнской спирали, захватывая все новые зоны. Конечным результатом репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК.
Биология: учебник: в 2 т. / под ред. В. Н. Ярыгина. - 2011. - Т. 1. - 736 с.: ил.
Читайте также: