Докажите что принцип комплементарности играет решающую роль в самовоспроизведение днк кратко

Обновлено: 05.07.2024

Многие люди слышали такое понятие как комплементарность. Это обычно нечто туманное и не совсем понятное, особенно для тех, кто давно закончил школу и чья работа не связана с биологией или химией. На самом деле суть понятия комплементарность довольно проста, и знать, что это, полезно каждому образованному человеку.

Общие сведения

Термин имеет несхожие значения в разных областях биологии. В генетике комплементарность - это свойство нескольких неаллельных, чаще доминантных генов, дополнять друг друга для проявления определенного нового признака. Примером комплементарности в генетике является взаимодействие двух доминантных генов, отвечающих за нормальный слух (назовем их гены А и В). Только при наличии обоих этих генов человек обладает нормальным слухом. Если в генотипе любой из них гомозиготен по рецессиву, человек будет полностью глухим.

Но со школьной скамьи лучше знакомо другое определение понятия. Многие помнят, что комплементарность - это что-то связанное со структурой ДНК. Чтобы дать полное определение, стоит лучше изучить структуру макромолекул, для которых и был введен этот термин.

Комплементарность в макромолекулах

Как известно, в ядре любой клетки живого организма находится компактизованная (плотно свернутая) молекула ДНК, в которой хранится вся генетическая информация о дальнейшем развитии организма. Молекула ДНК формирует хромосомы, которых у человека в норме 46. ДНК представляет собой сложную полимерную молекулу, состоящую из мономеров - нуклеотидов. Каждый нуклеотид представлен остатком фосфорной кислоты, сахаром рибозой или дезоксирибозой и одним из четырех азотистых оснований- аденином (А), тимином (Т), гуанином (Г), цитозином (Ц).

Как известно, молекула ДНК двухцепочная. Связи между цепями могут образовываться только между комплементарными азотистыми основаниями. Правило комплементарности для азотистых оснований выглядит следующим образом:

А-Т (аденин комплементарен тимину).

Г-Ц (гуанин комплементарен цитозину).

Исходя из этих правил, можно сделать вывод, что комплементарность - это принцип соответствия одного азотистого основания в структуре ДНК или РНК другому, с которым эти основания образуют водородную связь.

Первый шаг к выявлению комплементарности азотистых оснований был сделан задолго до Уотсона и Крика, получивших Нобелевскую премию за расшифровку структуры ДНК, американским биологом Эдвином Чаргаффом. В результате своих исследований он обнаружил, что количество аденина в цепи ДНК совпадает с количеством тимина, а гуанина - с количеством цитозина. Он же установил, что суммарное количество пирамидинов (Т+Ц) равно количеству пуринов (А+Г). Само правило комплементарности было открыто Уотсоном и Криком при расшифровке структуры ДНК.

Свой принцип комплементарности существует и для молекулы РНК. Эта макромолекула обычно одноцепочная, но бывают исключения в зависимости от разновидности РНК и ее функций.

В молекулах РНК присутствуют аденин, гуанин, цитозин и урацил. Принцип комплементарности для двухцепочной РНК выглядит так:

Как и в случае ДНК, только если комплементарные друг другу азотистые основания стоят друг напротив друга, формируется двойная цепь.

Природа комплементарности

Азотистые основания принято разделять на пурины и пиримидины. К пуринам, как уже упоминалось, относятся аденин и гуанин, к пиримидинам - цитозин, урацил и тимин. Последние три - производные пиримидина, аденин и гуанин - соответственно, производные пурина. Пурины образуют водородные связи только с пиримидинами. Получившиеся связи нежесткие, они легко разрушаются и восстанавливаются. Необходимая для разрыва энергия зависит от количества водородных связей: аденин с тимином образуют две, цитозин с гуанином - три, потому для их разрушения требуется больше энергии.

Значение

Комплементарность - это свойство, которое играет важную роль в репликации ДНК и синтезе РНК. Именно благодаря ей существует привычный механизм передачи наследственной информации. Принцип комплементарности играет ключевую роль в процессе синтеза РНК да матрице ДНК.

Комплементарность в других областях биологии

А ферментативном катализе также используется термин комплементарность. Это понятие в энзимологии применяется для описания специфичности фермента по отношению к определенному исходному веществу (субстрату). Ферменты ввиду своей специфичности могут связываться только с некоторыми субстратами и воздействовать только на определенные химические связи в их молекулах. Чем меньше веществ может катализировать фермент, тем больше его специфичность. В ферментативном катализе комплементарность - это образование специфической связи между активным центром фермента и молекулой субстрата. То есть, и в преобразовании химических веществ в живых организмах комплементарность играет важную роль.

Исходя из описанных примеров, можно сделать вывод, что комплементарность - взаимное дополнение определенных веществ органической природы, в результате которого образуется химическая связь (в структуре ДНК и РНК), катализуется реакция (в ферментативном катализе), или комбинация неаллельных генов, в результате которой образуется новый признак (в генетике). Чаще всего термин применяется по отношению к структуре ДНК и РНК и означает образование водородных связей между азотистыми основаниями.

Описание спирали
Свойства и катаболизм
Закон взаимодополнения
Функции и возобновление
Значение принципа
Перспективы комплементарности

Описание спирали

Воспроизведение молекулы ДНК основано на следующем — цепочку можно использовать в качестве матрицы для сборки новой молекулы. В результате деления происходит самопроизведение либо репликация. Сущность процесса заключается в получении каждой дочерней клеткой копии материнского ДНК. Главная роль соединения — передача наследственной информации.

Сама молекула состоит из следующих форм РНК:

информационные либо матричные;
транспортные;
рибосомные.

Они, в отличие от ДНК, обладают следующими признаками: нет азотистого основания тимина, вместо него используется урацил. Отсутствует сахар, но есть рибоза. Определение структуры односпиральных белков зависит от набора и порядка расположения аминокислот в пептидных цепочках. Подобная информация зашифрована при помощи генетического кода (ГК).

Он представлен в виде единой системы записи наследственной информации. Подобная последовательность нуклеотидов в ДНК определяет цепочку аминокислот в белке. Структурная единица ГК представлена в виде кодирующего тринуклеотида. Пара кодов должна соответствовать последовательности аминокислот белка.

Так как существует 4 разных нуклеотида, суммарное количество кодов равняется 64. Информация о некоторых аминокислотах может удерживаться только в 61 аминокислоте. Остальные 3 стоп-кода указывают на остановку трансляции полипептидной цепи.

Свойства и катаболизм

Кроме вирусов, у каждого нуклеотида один кодон.
ГК одинаков для всех организмов.
Триплеты в ДНК идут в последовательности, аналогичной для аминокислот в белке.

Чтобы разобраться, в чем заключается принцип комплементарности, необходимо рассмотреть некоторые процессы: всасывание и переваривание нуклеиновых кислот (НК), катаболизм (энергетический обмен). Учёные доказали, что организм способен переварить до 1 гр НК в сутки. Процесс переваривания осуществляется в тонком кишечнике. Предварительно НК под воздействием ферментов превращаются в мононуклеотиды.

В тонком кишечнике от веществ отщепляется фосфорная кислота. Образуются нуклеозиды. Некоторая часть распадается на углеводы и азотистые основания. Удерживать НК — задача печени. Процесс энергетического обмена, диссимиляции либо катаболизма заключается в распаде сложных компонентов на более простые. Наблюдается окисление любого вещества. Явление сопровождается освобождением энергии в виде молекулы АТФ с теплом.

В клетках обмен РНК протекает интенсивнее, чем обмен ДНК. На последнем этапе процесса НК расщепляются на следующие компоненты:

углеводы;
азотистые основания (АС);
фосфорная кислота.

Пуриновые АС при катаболизме теряют аминогруппу, окисляясь, превращаясь в мочевую кислоту. Пиримидиновые АС подвергаются глубокому расщеплению до воды, углекислого газа и аммиака. Углеводы переходят в глюкозу. Фосфорная кислота не подвергается распаду. Она принимает участие в реакциях фосфорилирования и фосфолиза либо при избытке выделяется из организма с уриной.

Закон взаимодополнения

Подобная закономерность часто отображается в виде таблицы. Соответствие А Т и Г Ц — правило комплементарности, а цепи — комплементарными. С учётом закона содержание А в ДНК всегда совпадает с количеством Т, а объём Г равен числу Ц. Две цепи ДНК могут отличаться химически, но они несут одну информацию, так как по правилу Уотсона и Крика следует, что одна цепочка задаёт другую.

Структура РНК считается менее упорядоченной, чем ДНК. Чаще это простая молекула, только некоторые вирусы состоят из двух цепей. Последняя структура считается более гибкой, чем ДНК. Определённые участки в молекуле РНК взаимно комплементарны, а при изгибании они спариваются. Таким способом образуются двухцепочечные структуры. Подобной характеристикой обладают транспортные РНК.

Функции и возобновление

Принцип комплементарности лежит в основе взаимодействия, удвоения либо репликации молекул ДНК. По нему образуется дочерняя цепочка. При последующем делении материнской клетки каждая дочерняя получает по 1 копии молекулы ДНК. Она идентична структуре матери. Процесс обеспечивает тонкую передачу генетической информации между поколениями.

От правильности репликации зависит точность соответствия комплементарных пар оснований. Другие характеристики явления:

матричность — однозначное определение последовательности синтезируемой цепочки;
полуконсервативность — структура, образованная при репликации, считается вновь синтезированной, а другая — материнской;
направленность — идёт от пятого конца новой цепи к третьему;
полунепрерывность — постоянный синтез одной молекулы и набор фрагментов второй цепи.

Репликация протекает в несколько этапов. Предварительно расплетаются молекулы с помощью фермента хеликазы. Образуются матрицы, на которых будет осуществляться синтез новых линий. На следующем этапе происходит фиксация новых нуклеотидов по принципу комплементарности. Новые клетки расходятся, скручиваясь в спираль. За одну секунду происходит репликация 750 нуклеотидов.

Главная функция молекулы заключается в хранении и передаче следующему поколению наследственной информации, записанной в ней. За счёт принципа комплементарности репликация создаёт точную копию первичной молекулы. Таким способом образуются новые клетки, идентичные материнским.

Значение принципа

Взаимодополняемость считается важным процессом при формировании белков. Без него невозможен синтез дочерних клеток. Явление играет важную роль в делении молекул, так как каждый новый организм получает по одной одинаковой копии ДНК. За счёт комплементарности обеспечивается передача генетической информации от поколения к поколению.

Изучив принцип, можно понять механизм образования мутаций, способы их предупреждения. Из закона вытекает следующее следствие: репликация дезоксирибонуклеиновой кислоты — важное событие в делении клеток и синтезе белка. На основе принципа комплементарности работает практическая медицина ДНК-технологий.

Закон позволил подробно изучить механизм развития заболеваний, которые передаются наследственным путём, проанализировав их патогенез.

Области генетики и медицины, в которых успешно применяется закон:

Создание вакцин для борьбы с разными типами гепатита.
Разработка человеческого инсулина.
Восстановление нормальной свёртываемости крови у пациентов, страдающих от гемофилии (хроническая кровоточивость).
Открытие возможности ввода в человеческий организм полноценных генов, их фрагментов с целью корригирования некоторых нарушений обмена веществ.
Проведение терапии разных форм иммунодефицита у детей.
Разработка эффективных методов терапии больных муковисцидозом (системное заболевание, связанное с мутацией генов), фенилкетонурией (врождённое нарушение метаболизма), тяжёлыми наследственными патологиями.
Исследование генов.

Перспективы комплементарности

За счёт современного развития генетики и медицины взаимодополняемость получает широкое применение в разных исследованиях. Принцип способствовал установлению и внедрению в лечебную практику теории функционирования живого организма, его саморегуляцию, взаимоотношение функциональных систем.

Комплементарность позволяет применять некоторые методики лечения, направленные на устранение внутренних патологических процессов с использованием компенсаторных возможностей. Процесс изучения нуклеотидов предоставляет шанс внедрять в главные терапевтические методы самые последние достижения генной инженерии. Подобная возможность позволяет побороть тяжёлые наследственные патологии, обеспечив пациентам полноценную жизнь.

При проведении исследований учёные выявили некоторые интересные факты. В геноме существует более трёх миллиардов нуклеотидов, но только около одного процента участвует в кодировке белков. Всего у человека найдено свыше 20 000 генов, при этом каждый из них хранится в соответствующей клетке. Около 4/5 генома переписывается на РНК. В ДНК сосредоточено несколько дополнительных участков, которые контролируют кодировку и синтез белка.

При анализе содержания азотистых оснований в ДНК из различных организмов Эрвин Чаргафф обнаружил определенные закономерности, позднее названные правилами Чаргаффа.

Молярное содержание аденина всегда равно молярному содержанию тимина, а молярное содержание гуанина — молярному содержанию цитозина.

Количество пуринов равнялось количеству пиримидинов, а отношение А+Т/Г+Ц было различным у разных видов живых организмов.

Это указывало на возможные взаимодействия оснований в ДНК между собой.

На основании правил Чаргаффа и предварительных результатов рентгеноструктурного анализа Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г. предложили двуспиральную модель структуры ДНК.

Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединенных между собой азотистыми основаниями. При этом аденин одной цепи всегда взаимодействует с тимином в другой, и наоборот. Точно так же гуанин одной цепи всегда связан с цитозином в другой (рис. 6).

Рис. 6. Образование водородных связей между азотистыми основаниями

Такие пары оснований удерживаются за счет образования между основаниями водородных связей:

пара А–Т образует 2 водородные связи;
пара Г–Ц образует 3 водородные связи.

Главной особенностью пар А–Т и Г–Ц является их одинаковая геометрия. Это позволяет построить двуспиральную молекулу с постоянным расстоянием между цепями, построенными остатками сахара и фосфорной кислоты. Образование любых других пар приводит к нарушению правильной структуры.

Такое взаимодействие оснований, при котором они дополняют друг друга до определенной структуры, одинаковой для всех пар, получило название принципа комплементарности.

Пары аденин и тимин, гуанин и цитозин называются комплементарными парами, а две цепочки нуклеиновых кислот, в которых все основания образуют комплементарные пары — комплементарными цепочками. Таким образом, каждая молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепочек полинуклеотидов (рис. 7).

Рис. 7. Принцип комплиментарности

Важной особенностью структуры двойной спирали ДНК является то, что комплементарные цепи направлены в противоположные стороны, т. е. 5’-конец одной цепи связан комплементарными основаниями с 3’-концом другой цепи, и наоборот. Основания плотно слипаются своими плоскостями, что делает связь между цепочками еще более прочной. Такое слипание получило название стэкинг-взаимодействия. В результате в центре молекулы ДНК находится как бы стержень, построенный из азотистых оснований, а по краям он обвит двумя нитями, состоящими из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты.

Сравнение ДНК и РНК

Нуклеиновая кислота	Строение	Функции	Особенности
ДНК	азотистое основание: аденин (А) тимин (Т) гуанин (Г) цитозин (Ц) углевод: дезоксирибоза остаток фосфорной кислоты	хранение и передача наследственной информации	двойная спираль (по принципу комплементарности); способность к репликации (самоудвоению)
РНК	азотистое основание: аденин (А) урацил (У) гуанин (Г) цитозин (Ц) углевод: рибоза остаток фосфорной кислоты	биосинтез белка	одинарная цепочка нуклеотидов

Рис. 8. Различия в строении ДНК и РНК