Химический состав и структурная организация ДНК

Открытие генетической роли ДНК

ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Впервые нуклеиновую кислоту, свободную от белков, получил Р. Альтман в 1889 г., который и ввел этот термин в биохимию. Лишь к середине 1930-х годов было до­казано, что ДНК и РНК содержатся в каждой живой клетке. Первостепенная роль в утверждении этого фундаментального положе­ния принадлежит А. Н. Белозерскому, впервые выделившему ДНК из растений. Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенные из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты Чейз (эксперимент Херши — Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг.

Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии или медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.

В 1960 г. сразу в нескольких лабораториях был открыт фер­мент РНК-полимераза, осуществляющий синтез РНК на ДНК-матрицах. Генетический аминокислотный код был полностью расшифро­ван в 1961–1966 гг. усилиями лабораторий М. Ниренберга, С. Очоа и Г. Кораны.

 

Свойства и функции ДНК.

Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательность нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам (Генетическая информация – вся информация о структуре и деятельности клеток, о признаках каждой клетки и организма в целом). Ген – участок ДНК несущий информацию об одной полипептидной цепи.

Репликация ДНК (или редупликация) — процесс самовоспроизведения (самоудвоения) макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).

Способность к денатурации (денатурация - расхождение цепей двухцепочечной молекулы ДНК, вследствие экстремальных воздействий (температура, рН, денатурирующие агенты), что сопровождается потерей ее биологической активности).

 

Эу - и гетерохроматин.

Различают гетеро - и эухроматин.

а) гетерохроматин:

• факультативный - образуется при спирализации одной из двух гомологичных хромосом. Типичным примером служит тельце полового хроматина, образуемого одной из двух Х-хромосом соматических клеток женских особей человека и млекопитающих. Функциональная роль факультативного гетерохроматина заключается в компенсации снижении дозы определенного гена.

• структурный - отличается высокоспирализованным состоянием, которое сохраняется на протяжении всего митотического цикла. Он занимает постоянные участки в гомологичных хромосомах - это фрагменты околоцентромерных, теломерных участков хромосом, Не содержит структурных генов (нетранскрибируемый). Его роль не ясна, но, по-видимому, он выполняет опорную функцию.

б) эухроматин - имеет менее компактную организацию, деспирализуется в конце митоза, образует слабоокрашенные нитчатые структуры, содержит структурные транскрибируемые гены. В каждой хромосоме свой порядок расположения эухроматина и гетерохроматина, что используется для идентификации отдельных хромосом в цитогенетике.

 

Процессинг.

Процессинг – процесс созревания молекулы иРНК, сопровождающийся удалением интронов геликазой (участки не несущие информацию о последовательности аминокислот в синтезируемом белке) и сращиванием (сплайсингом) лигазой экзонов.

Длина созревшей и направляющейся к рибосомам молекулы иРНК оказывается короче первоначальной и эту РНК называют мРНК (матричной).

У прокариот процессинг отсутствует.

 

Информоферный цикл.

Информофер — глобулярная белковая частица, составленная из полипептидов (информатинов), вокруг которой укладывается гетерогенная ядерная РНК с образованием 30S-частиц гяРНК.

Цикл состоит из 3 этапов:

1 – информоферы связываются с новообразовавшейся РНК по всей её длине

2 – на поверхности информоферов с гяРНК происходят различные преобразования, составляющие процессинг и созревание мРНК

3 – зрелая мРНК «переодевается» на ядерной мембране и транспортируется в цитоплазму, а информоферы, освободившиеся на 2-3 этапе входят в новый цикл.

 

Жизненный цикл клетки.

Клеточный цикл – время существования клетки от деления до следующего деления или смерти. Важным компонентом клеточного цикла является митотический цикл. Кроме того, в жизненный цикл включается периоды роста, дифференциации и выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении. Клетки подразделяются:

1 - часто делящиеся клетки

2 - редко делящиеся клетки

3 - неделящиеся клетки

 

Пресинтетический период.

Самый длительный период (от 10 часов до нескольких суток). Наступает сразу после деления, клетки имеют диплоидный (2n) набор хромосом и 2с генетического материала ДНК. Начинается рост клеток, синтез белков, РНК. Происходит подготовка клеток к синтезу ДНК. Повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене.

 

Синтетический период.

Происходит репликация молекул ДНК, синтез белков-гистонов, с которыми связана каждая нить ДНК. Синтез РНК увеличивается соответственно количеству ДНК. При репликации спирали ДНК раскручиваются, рвутся водородные связи, и каждая становится матрицей для воспроизводства новых цепей ДНК. Начинается удвоение центриолей. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, 2n4c. Период длится 6- 12 часов.

 

30)Постсинтетический период.

Происходит синтез РНК, накапливается энергия в молекулах АТФ, необходимая для деления клетки, завершается удвоение центриолей, митохондрий, пластид, синтезируются белки, из которых строится ахроматиновое веретено деления, заканчивается рост клетки. 2n4c. Продолжительность периода 3-6 часов.

 

Профаза, метафаза.

Профаза.

Увеличивается объем ядра. Хромосомы спирализуются, становятся видимыми, укорачиваются, утолщаются. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется веретено деления. К концу профазы ядрышки и ядерная оболочка растворяются, и хромосомы оказываются в цитоплазме. Профаза самая продолжительная фаза митоза. 2n4c.

Метафаза.

Спирализация достигает максимума, хромосомы располагаются в экваториальной плоскости веретена, образуя метафазную пластинку. Сестринские центромеры и хроматиды обращены к противоположенным полюсам. Митотическое веретено полностью сформировано и состоит из нитей, соединяющих полюса с центромерами хромосом. Метафаза очень короткая.

 

Анафаза, телофаза.

Анафаза.

Центромеры разъединяются, хроматиды (дочерние хромосомы) становятся самостоятельными. Нити веретена деления, прикрепленные к центромерам, тянут дочерние хромосомы к полюсам клетки. В клетке находятся 2 диплоидных набора хромосом. Анафаза очень короткая.

Телофаза.

Хромосомы, состоящие из одной хроматиды, находятся у полюсов клетки. Они деспирализуются и становятся невидимыми. Образуется ядерная оболочка, нити ахроматинового веретена распадаются. В ядре происходит деление цитоплазмы и образование двух дочерних клеток.

 

Фазы сперматогенеза.

Сперматогенез – образование мужских половых клеток (сперматозоидов) – осуществляется в стенках извитых канальцев семенника. 4 периода:

1 – Размножение. Наружный слой клеток стенок канальцев семенника содержит диплоидный набор хромосом. Клетки делятся митозом. Их число увеличивается. Образуются незрелые половые клетки - сперматогонии. Они имеют округлую форму и крупное ядро. Сперматогонии перемещаются в зону роста, расположенную ближе к просвету канальца.

2 – Рост. Клетки увеличиваются в размерах и называются сперматоцитами 1-го порядка.

3 - Созревание. С наступлением половой зрелости сперматоциты постепенно претерпевают мейотические деления. В этом периоде происходят два мейотических деления. Каждый сперматоцит 1-го порядка в результате 1-го мейотического деления образует два сперматоцита 2-го порядка с гаплоидным набором хромосом. После второго мейотического деления возникают еще по две сперматиды. Это овальные клетки небольших размеров.

4 – Формирования. Сперматиды перемещаются ближе к просвету канальца. Из сперматид формируются сперматозоиды определенного строения, способные к передвижению. Хвосты сперматозоидов направлены в просвет канальца. Таким образом, из одного сперматогония формируются 4 зрелых сперматозоида, которые выходят в просвет семенного канальца.

Сперматогенез регулируется гормонами.

 

Фазы овогенеза.

Овогенез – процесс развития женских половых клеток (яйцеклеток), во время которого клетки яичника – овогонии – превращаются в яйцеклетки.

1 период – размножение. Заканчивается до рождения девочки. Клетки зачаткового эпителия делятся митозом и образуют овогонии.

2 период – рост. Образуются овоциты 1-ого порядка, которые до полового созревания остаются на стадии профазы 1-го мейотического деления. С наступление половой зрелости каждый месяц один из овоцитов 1-го порядка увеличивается в размерах, окружается фолликулярными клетками, обеспечивающими питание.

3 период – созревание. Овоцит 1-го порядка заканчивает 1-ое мейотическое деление и образуется один овоцит 2-го порядка и полярное (редукционное) тельце, 2-ое деление мейоза идет до стадии метафазы. На этой стадии овоцит 2-го порядка выходит из яичника в брюшную полость, а оттуда попадает в яйцевод. Дальнейшее созревание не произойдет, пока овоцит не соединится со сперматозоидом. В яйцеводах овоцит 2-го порядка заканчивает 2-ое деление мейоза, образуя овотиду – крупную клетку и второе полярное тельце. Таким образом из одной овогонии образуется одна овотида и 3 полярных тельца.

Период формирования отсутствует. Процесс регулируется гормонами. Если оплодотворение не произойдет, овоцит 2-го порядка погибнет и будет выведен из организма.

 

Отличия мейоза от митоза.

Главное отличие митоза от мейоза – отсутствие в митозе конъюгации гомологичных хромосом и кроссинговера.

Между 1 и 2 делениями мейоза в интерфазе нет синтеза ДНК.

Мейоз осуществляется в диплоидных и полиплоидных клетках.

В результате мейоза из одной клетки образуются четыре гаплоидных.

При митозе удвоение хромосом соответствует каждому делению клетки.

В метафазе при митозе на экваторе выстраиваются хромосомы, состоящие из 2 хроматид. При мейозе биваленты хромосом.

В анафазе при митозе к полюсам расходятся хроматиды. При мейозе хромосомы, состоящие из 2 хроматид.

В телофазе при митозе дочерние клетки содержат то же число хромосом, что и материнские. При мейозе число хромосом вдвое меньше.

 

Виды оплодотворения.

1 – Наружное. Характерно для животных обитающих в воде. Яйцеклетки и сперматозоиды выделяются в воду, где и происходит их слияние.

2 – Внутреннее. Характерно для животных обитающих на суше. Сперматозоиды во время полового акта вводятся в половые пути самки. Встреча гамет осуществляется в верхних отделах яйцеводов.

3 – Искусственное.

 

Этапы оплодотворения.

Важнейшие этапы процесса оплодотворения:

1 – Проникновение сперматозоида в яйцеклетку

2 – Активация в ядре метаболических процессов

3 – Слияние ядер яйцеклетки и сперматозоида и восстановление диплоидного набора хромосом.

 

49)Механизмы оплодотворения.

Сперматозоиды двигаются по направлению к яйцеклетки. Вещества, выделяемые яйцеклеткой, вызывают склеивание сперматозоидов, что способствует удержанию их вблизи яйцеклетки. К яйцеклетке подходит множество сперматозоидов, но проникает туда лишь один. Проникновению сперматозоида в яйцеклетку способствуют ферменты – гиалуронидаза и др. Ферменты выделяются акросомой. Оболочка яйцеклетки растворяется, и через отверстие в ней сперматозоид проникает в яйцеклетку. На поверхности яйца образуется оболочка оплодотворения, которая защищает яйцо от проникновения других сперматозоидов. Между этой оболочкой и поверхностью яйца имеется свободное пространство, заполненное жидкостью. Проникновение сперматозоида способствует завершению второго деления мейоза, и овоцит 2-го порядка становится зрелым яйцом.

Строение и функции ЭПС.

ЭПС- Система соединенных канальцев и полостей различных величин
Эпс: 1)шероховатая содержит прикрепленные рибосомы где идет синтез белка 2)гладкая здесь находятся ферменты синтеза и расщепления углеводов и липидов и собственно стероидных гормонов. Основное место биосинтеза мембраны цитоплазмы отцепляющиеся от нее пузырьки представляющие собой материал для других одномембранных органелл аппарата гольджи.

Строение и функции пластид

Полуавтономные структуры в растительных клетках образуются из пропластид ограничена 2 мембранами.
Выделяют три группы пластид: (лейко, хромо)-самостоятельные, и хлоропласты.
Хлоропласты 2 мембранная огранела 1ая гладкая 2-ая имеет образования выросты ломеллы или ломеллосомы. Ломеллы на определенных участках расширяются и формируют плоские диски-тилокоиды. Тилокоиды объединены в граны (до 50 тилокоидов) количество гран от 40 до 60. Внутреннее пространство хлоропласта заполнено матриксом (стромой) строма – внутренняя полужидкая среда содержит ДНК, рнк,рибособы,белки. В матриксе белок синтезирует аппаратом кольцевой ДНК (около 130 генов)
Фотосинтез: световая фаза: в тилокоидах, хлорофилл фиксирован в мембранах тилокоидов в них идет световая фаза.
Фотосинтез –энергия поглащается хлорофиллом света и переводит его в возбужденное состояние, возбужденный электрон перемещается по цепи переносчиков и теряет энергию. Освободившаяся энергия для фосфолирирования адф в атф. Часть возбудившихся електронов идет на восстановление надф в надфн. Под действием солнечного света одновременно идет фотолиз воды при этом возникают електроны которые замещают потери их хлорофиллом.В качестве побочного продукта образует кислород. Темновая фаза:в составе хлоропласта есть фермент катализирующий соединения молекул со2 с производными сахара рибозы. Из 1молекулы гексозы или глюкозы образуется 6 молекул со2. Для синтеа молекул гексозы приходится расходовать 18 молекул атф и 12 надн. Глюкоза полимеризуется в крахмал.

Строение и функции рибосом

Самые мелкие клеточные органеллы немембранные на них идет синтез. белки представляющий собой сферические структуры. Каждая состоит из большой и малой субъединицы в состав которых входит рРНК и белки. Например, у кишечной палочки 1 молекула рРНК и 21 белок,а большая 5 рРНК и 34 белка.В цитоплазме эукариотической клетки находятся рибосомы с 80S.Длина рибосомы 35 нм.

Строение и функции вакуоли

В цитоплазме клеток растений содержатся вакуоли. Они могут быть мелкими и крупными. Центральные вакуоли отделены от цитоплазмы одинарной мембраной, называемой тонопластом. Центральные вакуоли образуются из мелких пузырьков, отщепляющихся от эндоплазматической сети. Полость вакуоли заполнена клеточным соком, представляющим собой водный раствор, в котором присутствуют различные неорганические соли, сахара, органические кислоты и другие вещества. Центральная вакуоль выполняет функцию поддержания тургорного давления в клетке. В вакуолях запасается вода, необходимая для фотосинтеза, питательные вещества (белки, сахара и др.) и продукты обмена веществ, предназначенные для выведения из клетки. В вакуолях откладываются пигменты, например, антоцианы, определяющие окраску. Эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы и вакуоли образуют вакуолярную систему клетки, отдельные элементы которой могут переходить друг в друга при перестройке и изменении функции мембран.

 

 

13) Лизосомы – пузырьки больших или меньших размеров, заполненные гидролитическими ферментами (протеазами, нуклеазами, липазами и другими). Лизосомы в клетках не представляют собой самостоятельных структур. Они образуются за счет активности эндоплазматической сети и аппарата Гольджи и напоминают секреторные вакуоли. Основная функция лизосом – внутриклеточное расщепление и переваривание веществ, поступивших в клетку или находящихся в ней, и удаление из клетки. Выделяют первичные и вторичные лизосомы (пищеварительные вакуоли, аутолизосомы, остаточные тельца).

 

Открытие генетической роли ДНК

ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Впервые нуклеиновую кислоту, свободную от белков, получил Р. Альтман в 1889 г., который и ввел этот термин в биохимию. Лишь к середине 1930-х годов было до­казано, что ДНК и РНК содержатся в каждой живой клетке. Первостепенная роль в утверждении этого фундаментального положе­ния принадлежит А. Н. Белозерскому, впервые выделившему ДНК из растений. Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенные из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты Чейз (эксперимент Херши — Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг.

Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии или медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.

В 1960 г. сразу в нескольких лабораториях был открыт фер­мент РНК-полимераза, осуществляющий синтез РНК на ДНК-матрицах. Генетический аминокислотный код был полностью расшифро­ван в 1961–1966 гг. усилиями лабораторий М. Ниренберга, С. Очоа и Г. Кораны.

 

Химический состав и структурная организация ДНК

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. Молекула ДНК – это самый крупный биополимер, мономером которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из остатков 3 веществ: 1 – азотистого основания; 2 – углевода дезоксирибозы; 3 - фосфорной кислоты (рисунок – строение нуклеотида). Нуклеотиды, участвующие в образовании молекулы ДНК отличаются друг от друга азотистыми основаниями. Азотистые основание: 1 – Цитозин и Тимин (производные пиримидина) и 2 – Аденин и Гуанин (производные пурина). Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорный кислоты соседнего (рисунок – строение полинуклеотидной цепи). Правило Чаргаффа (1951г.): число пуриновых оснований в ДНК всегда равно числу пиримидиновых, А=Т Г=Ц.

1953г. Дж. Уотсон и Ф. Крик – Представили модель строения молекулы ДНК (рисунок – строение молекулы ДНК).

Первичная структура – последовательность расположения мономерных звеньев (мононуклеотидов) в линейных полимерах. Цепь стабилизируется 3,5 – фосфодиэфирными связями.

Вторичная структура – двойная спираль, формирование которой определяется межнуклеотидными водородными связями, которые образуются между основаниями входящими в канонические пары А-Т (2 водородные связи) и Г-Ц (3 водородные связи). Цепи удерживаются стекинг-взаимодействиями, электростатическими взаимодействиями,

Ван-Дер-Ваальсовыми взаимодействиями.

Третичная структура – общая форма молекул биополимеров. Сверхспиральная структура – когда замкнутая двойная спираль образует не кольцо, а структуру с витками более высокого порядка (обеспечивает компактность).

Четвертичная структура – укладка молекул в полимолекулярные ансамбли. Для нуклеиновых кислот - это ансамбли, включающие молекулы белков.

 

Свойства и функции ДНК.

Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательность нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам (Генетическая информация – вся информация о структуре и деятельности клеток, о признаках каждой клетки и организма в целом). Ген – участок ДНК несущий информацию об одной полипептидной цепи.

Репликация ДНК (или редупликация) — процесс самовоспроизведения (самоудвоения) макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению.

Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).

Способность к денатурации (денатурация - расхождение цепей двухцепочечной молекулы ДНК, вследствие экстремальных воздействий (температура, рН, денатурирующие агенты), что сопровождается потерей ее биологической активности).