Схема нуклеотида днк: Нуклеиновые кислоты (статья) | Макромолекулы

ДНК. Основные понятия.

Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение. ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).

Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (

Рис. 2. Азотистые основания

Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.

Рис. 3. Репликация ДНК

Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.

Образование новой ДНК (репликация)

1. Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.
2. Двойная спираль «расстегивается» на две ветви, когда ферменты разрушают связь между базовыми парами химических соединений.
3. Каждая ветвь является элементом новой ДНК. Новые базовые пары соединяются в той же последовательности, что и в родительской ветви.

По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.

Более подробная информация:

Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.

НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H₂PO₃–).

Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.

Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые

Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:

Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК

Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности).

Правило комплементарности:

Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность

3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,

то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:

5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.

Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей

Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).

Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.

Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК

ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:

1) ДНК-топоизомераза, располагаясь перед вилкой репликации, разрезает ДНК для того, чтобы облегчить ее расплетание и раскручивание.
2) ДНК-хеликаза вслед за топоизомеразой влияет на процесс «расплетения» спирали ДНК.
3) ДНК-связывающие белки осуществляют связывание нитей ДНК, а также проводят их стабилизацию, не допуская их прилипания друг к другу.
4) ДНК-полимераза δ (дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет синтез ведущей

Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ (Polδ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.

 Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)

Нагляднее о репликации ДНК см. видео →

5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент

Вместо ДНК-полимеразы α к 3′-концу праймера присоединяется ДНК-полимераза ε.

6) ДНК-полимераза ε (эпсилон) как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве субстрата встраивает дезоксирибонуклеотиды (в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате образуется цельная нить из двух частей – РНК (т.е. праймер) и ДНК. ДНК-полимераза ε работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезированный чуть ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.

7) ДНК-полимераза β (бета) встает вместо ДНК-полимеразы ε, движется в том же направлении (5’→3′) и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный ДНК-полимеразой ε). Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии, поэтому он сходит с цепи. 

В результате на матрице материнской нити «лежит» фрагмент дочерней ДНК. Он называется фрагмент Оказаки.

8) ДНК-лигаза производит сшивку двух соседних фрагментов Оказаки, т.е. 5′-конца отрезка, синтезированного ДНК-полимеразой ε, и 3′-конца цепи, встроенного ДНК-полимеразой β.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами.

Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Рис. 10.  Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.

Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции

Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи

3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,

то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность

5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,

а синтезируемая с нее РНК – последовательность

3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.

ТРАНСЛЯЦИЯ

Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:

Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок

Трансляция — это процесс, посредством которого генетическая информация преобразуется в белки, рабочие лошадки клетки. Небольшие молекулы, называемые переносными РНК («тРНК»), играют решающую роль в трансляции; они являются молекулами-адаптерами, которые соответствуют кодонам (строительным блокам генетической информации) с аминокислотами (строительными блоками белков). Организмы несут множество типов тРНК, каждая из которых кодируется одним или несколькими генами («набор генов тРНК»).

Вообще говоря, функция набора генов тРНК — переводить 61 тип кодонов в 20 различных типов аминокислот — сохраняется в разных организмах. Тем не менее, состав набора генов тРНК может значительно варьировать между организмами.

Генетический код — способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов — кодоном или триплетом.

Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.

Таблица 1. Стандартный генетический код

Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:

• *Триплет AUG, также кодирующий метионин, называется старт-кодоном. С этого кодона начинается синтез молекулы белка. Таким образом, во время синтеза белка, первой аминокислотой в последовательности всегда будет метионин.

• **Триплеты UAA, UAG и UGA называются стоп-кодонами и не кодируют ни одной аминокислоты. На этих последовательностях синтез белка прекращается.

Свойства генетического кода

1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.

2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.

4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.

5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.

Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:

3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.

Матричная цепь будет иметь последовательность:

5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.

Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:

3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.

Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:

5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.

Теперь найдем старт-кодон AUG:

5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.

Разделим последовательность на триплеты:

Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:

Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.

Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии

ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ

(общие понятия)

Геном — совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.

Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК

За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.

На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид —  аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами).

Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.

Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.

Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350  аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.

Сколько генов в одной хромосоме?

 ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.

Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.

Прокариоты (Бактерии).

Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).

Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.

См. также: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972–984.

Эукариоты.

Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов

Примечание. Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам

*Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) – двойной набор хромосом (2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.
**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.
***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.

В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli (табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila, классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli. Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n) зависит от вида организма (табл. 2).

Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а, содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y)  различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.

Рис. 17. Хромосомы эукариот. а — пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б — полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.

Размер и функция ДНК как матрицы для хранения и передачи наследственного материала объясняют наличие особых структурных элементов в организации этой молекулы. У высших организмов ДНК распределена между хромосомами.

Совокупность ДНК (хромосом) организма называется геномом. Хромосомы находятся в клеточном ядре и формируют структуру, называемую хроматином. Хроматин представляет собой комплекс ДНК и основных белков (гистонов) в соотношении 1:1. Длину ДНК обычно измеряют числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Например, 3-я хромосома человека представляет собой молекулу ДНК размером 160 млн п.н.. Выделенная линеаризованная ДНК размером 3*10⁶ п.н. имеет длину примерно 1 мм, следовательно, линеаризованная молекула 3-й хромосомы человека была бы 5 мм в длину, а ДНК всех 23 хромосом (~3*10⁹ п.н., MR = 1,8*10¹²) гаплоидной клетки – яйцеклетки или сперматозоида – в линеаризованном виде составляла бы 1 м. За исключением половых клеток, все клетки организма человека (их около 1013) содержат двойной набор хромосом. При клеточном делении все 46 молекул ДНК реплицируются и снова организуются в 46 хромосом.

Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).

Большинство клеток человека диплоидны, поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10¹⁴ клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10¹¹ км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10⁴ км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10⁸ км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!

В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.

Рассмотрим строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.

Кодирующая последовательность – основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.

До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности. Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.

Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции – транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.

Терминатор – нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.

В начале гена находится регуляторная область, включающая в себя промотор и оператор.

Промотор – последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор – это область, с которой могут связываться специальные белки – репрессоры, которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена – иначе говоря, уменьшать его экспрессию.

Строение генов у прокариот

Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается – и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.

Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) — изображение увеличивается

В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков синтезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.

Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу – оперон. Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона – регуляторы. Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор. Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.

Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции.

Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот — изображение увеличивается

Такое сопряжение не встречается у эукариот из-за наличия у них ядерной оболочки, отделяющей цитоплазму, где происходит трансляция, от генетического материала, на котором происходит транскрипция. У прокариот во время синтеза РНК на матрице ДНК с синтезируемой молекулой РНК может сразу связываться рибосома. Таким образом, трансляция начинается еще до завершения транскрипции. Более того, с одной молекулой РНК может одновременно связываться несколько рибосом, синтезируя сразу несколько молекул одного белка.

Строение генов у эукариот

Гены и хромосомы эукариот очень сложно организованы

У бактерий многих видов всего одна хромосома, и почти во всех случаях в каждой хромосоме присутствует по одной копии каждого гена. Лишь  немногие гены, например гены рРНК, содержатся в нескольких копиях. Гены и регуляторные последовательности составляют практически весь геном прокариот. Более того, почти каждый ген строго соответствует аминокислотной последовательности (или последовательности РНК), которую он кодирует (рис. 14).

Структурная и функциональная организация генов эукариот гораздо сложнее. Исследование хромосом эукариот, а позднее секвенирование полных последовательностей геномов эукариот принесло много сюрпризов. Многие, если не большинство, генов эукариот обладают интересной особенностью: их нуклеотидные последовательности содержат один или несколько участков ДНК, в которых не кодируется аминокислотная последовательность полипептидного продукта. Такие нетранслируемые вставки нарушают прямое соответствие между нуклеотидной последовательностью гена и аминокислотной последовательностью кодируемого полипептида. Эти нетранслируемые сегменты в составе генов называют интронами, или встроенными последовательностями, а кодирующие сегменты — экзонами. У прокариот лишь немногие гены содержат интроны.

Итак, у эукариот практически не встречается объединение генов в опероны, и кодирующая последовательность гена эукариот чаще всего разделена на транслируемые участки – экзоны, и нетранслируемые участки – интроны.

В большинстве случаев функция интронов не установлена. В целом, лишь около 1,5% ДНК человека являются ≪кодирующими≫, т. е. несут информацию о белках или РНК. Однако с учетом крупных интронов получается, что ДНК человека на 30% состоит из генов. Поскольку гены составляют относительно небольшую долю в геноме человека, значительная часть ДНК остается неучтенной.

Рис. 16. Схема строение гена у эукариот — изображение увеличивается

С каждого гена сначала синтезируется незрелая, или пре-РНК, которая содержит в себе как интроны, так и экзоны.

После этого проходит процесс сплайсинга, в результате которого интронные участки вырезаются, и образуется зрелая иРНК, с которой может быть синтезирован белок.

Рис. 20. Процесс альтернативного сплайсинга — изображение увеличивается

Такая организация генов позволяет, например, осуществить процесс альтернативного сплайсинга, когда с одного гена могут быть синтезированы разные формы белка, за счет того, что в процессе сплайсинга экзоны могут сшиваться в разных последовательностях.

Сравнение строения генов прокариот и эукариот

Рис. 21. Отличия в строении генов прокариот и эукариот — изображение увеличивается

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗ

Мутацией называется стойкое изменение генотипа, то есть изменение нуклеотидной последовательности.

Процесс, который приводит к возникновению мутаций называется мутагенезом, а организм, все клетки которого несут одну и ту же мутацию — мутантом.

Мутационная теория была впервые сформулирована Гуго де Фризом в 1903 году. Современный ее вариант включает в себя следующие положения:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.

2. Мутации передаются из поколения в поколение.

3. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными, доминантными или рецессивными.

4. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

5. Сходные мутации могут возникать повторно.

6. Мутации не направленны.

Мутации могут возникать под действием различных факторов. Различают мутации, возникшие под действием мутагенных воздействий: физических (например, ультрафиолета или радиации), химических (например, колхицина или активных форм кислорода) и биологических (например, вирусов). Также мутации могут быть вызваны ошибками репликации.

В зависимости от условий появления мутации подразделяют на спонтанные — то есть мутации, возникшие в нормальных условиях, и индуцированые — то есть мутации, которые возникли при особых условиях.

Мутации могут возникать не только в ядерной ДНК, но и, например, в ДНК митохондрий или пластид. Соответственно, мы можем выделять ядерные и цитоплазматические мутации.

В результате возникновения мутаций часто могут появляться новые аллели. Если мутантный аллель подавляет действие нормального, мутация называется доминантной. Если нормальный аллель подавляет мутантный, такая мутация называется рецессивной. Большинство мутаций, приводящих к возникновению новых аллелей являются рецессивными.

По эффекту выделяют мутации адаптивные, приводящие к повышению приспособленности организма к среде, нейтральные, не влияющие на выживаемость, вредные, понижающие приспособленность организмов к условиям среды и летальные, приводящие к смерти организма на ранних стадиях развития.

По последствиям выделяются мутации, приводящие к потери функции белка, мутации, приводящие к возникновению у белка новой функции, а также мутации, которые изменяют дозу гена, и, соответственно, дозу белка синтезируемого с него.

Мутация может возникнуть к любой клетке организма. Если мутация возникает в половой клетке, она называется герминативной (герминальной, или генеративной). Такие мутации не проявляются у того организма, у которого они появились, но приводят к появлению мутантов в потомстве и передаются по наследству, поэтому они важны для генетики и эволюции. Если мутация возникает в любой другой клетке, она называется соматической. Такая мутация может в той или иной степени проявляться у того организма, у которого она возникла, например, приводить к образованию раковых опухолей. Однако такая мутация не передается по наследству и не влияет на потомков.

Мутации могут затрагивать разные по размеру участки генома. Выделяют генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации

Мутации, которые возникают в масштабе меньшем, чем один ген, называются генными, или точечными (точковыми). Такие мутации приводят к изменению одного и нескольких нуклеотидов в последовательности. Среди генных мутаций выделяют замены, приводящие к замене одного нуклеотида на другой, делеции, приводящие к выпадению одного из нуклеотидов, инсерции, приводящие к добавлению лишнего нуклеотида в последовательность.

Рис. 23. Генные (точечные) мутации

По механизму воздействия на белок, генные мутации делят на: синонимичные, которые (в результате вырожденности генетического кода) не приводят к изменению аминокислотного состава белкового продукта, миссенс-мутации, которые приводят к замене одной аминокислоты на другую и могут влиять на структуру синтезируемого белка, хотя часто они оказываются незначительными, нонсенс-мутации, приводящие к замене кодирующего кодона на стоп-кодон, мутации, приводящие к нарушению сплайсинга:

Рис. 24. Схемы мутаций

Также по механизму воздействия на белок выделяют мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания, например, инсерции и делеции. Такие мутации, как и нонсенс-мутации, хоть и возникают в одной точке гена, часто воздействуют на всю структуру белка, что может привести к полному изменению его структуры.

Рис. 25. Схема мутации, приводящей к сдвигу рамки считывания

Хромосомные мутации

Рис. 26. Хромосомные абберации

Хромосомными мутациями называются мутации, которые затрагивают отдельные гены в рамках одной хромосомы. Различают делеции, когда теряется один или несколько генов, дупликации, когда удваивается тот или иной ген или несколько генов, инверсии, когда участок хромосомы поворачивается на 180 градусов, транслокации, когда гены переходят с одной хромосомы на другую. 

Рис. 27. Схемы хромосомных мутаций: делеции, дупликации, инверсии

Геномные мутации

Наконец, геномные мутации затрагивают весь геном целиком, то есть меняется количество хромосом. Выделяют полиплоидии — увеличение плоидности клетки, и анеуплоидии, то есть изменение количества хромосом, например, трисомии (наличие у одной из хромосом дополнительного гомолога) и моносомии (отсутствие у хромосомы гомолога).

Видео по теме ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК, КОДИРОВАНИЕ РНК, СИНТЕЗ БЕЛКА

(Если видео не отображается оно доступно по ссылке→)

См. дополнительно:

Литература в помощь:

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

1. ПРОБИОТИКИ
2. ПРОБИОТИКИ И ПРЕБИОТИКИ
3. СИНБИОТИКИ
4. ДОМАШНИЕ ЗАКВАСКИ
5. КОНЦЕНТРАТ БИФИДОБАКТЕРИЙ ЖИДКИЙ
6. ПРОПИОНИКС
7. ЙОДПРОПИОНИКС
8. СЕЛЕНПРОПИОНИКС
9. БИФИКАРДИО
10. ПРОБИОТИКИ С ПНЖК
11. МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
12. БИФИДОБАКТЕРИИ
13. ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ
14. МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА
15. МИКРОФЛОРА ЖКТ
16. ДИСБИОЗ КИШЕЧНИКА
17. МИКРОБИОМ и ВЗК
18. МИКРОБИОМ И РАК
19. МИКРОБИОМ, СЕРДЦЕ И СОСУДЫ
20. МИКРОБИОМ И ПЕЧЕНЬ
21. МИКРОБИОМ И ПОЧКИ
22. МИКРОБИОМ И ЛЕГКИЕ
23. МИКРОБИОМ И ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА
24. МИКРОБИОМ И ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА
25. МИКРОБИОМ И КОЖНЫЕ БОЛЕЗНИ
26. МИКРОБИОМ И КОСТИ
27. МИКРОБИОМ И ОЖИРЕНИЕ
28. МИКРОБИОМ И САХАРНЫЙ ДИАБЕТ
29. МИКРОБИОМ И ФУНКЦИИ МОЗГА
30. АНТИОКСИДАНТНЫЕ СВОЙСТВА
31. АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ
32. АНТИМУТАГЕННАЯ АКТИВНОСТЬ
33. МИКРОБИОМ и ИММУНИТЕТ
34. МИКРОБИОМ И АУТОИММУННЫЕ БОЛЕЗНИ
35. ПРОБИОТИКИ и ГРУДНЫЕ ДЕТИ
36. ПРОБИОТИКИ, БЕРЕМЕННОСТЬ, РОДЫ
37. ВИТАМИННЫЙ СИНТЕЗ
38. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СИНТЕЗ
39. АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА
40. КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ
41. СИНТЕЗ БАКТЕРИОЦИНОВ
42. АЛИМЕНТАРНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
43. МИКРОБИОМ И ПРЕЦИЗИОННОЕ ПИТАНИЕ
44. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
45. ПРОБИОТИКИ ДЛЯ СПОРТСМЕНОВ
46. ПРОИЗВОДСТВО ПРОБИОТИКОВ
47. ЗАКВАСКИ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
48. НОВОСТИ

Строение нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), схема

Общие сведения о строении нуклеиновых кислот

Электронное строение нуклеиновых кислот

Структура каждого нуклеотида включает остатки углевода, гетероциклического основания и фосфорной кислоты. Углеводными компонентами нуклеотидов являются пентозы: D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза.

По этому признаку нуклеиновые кислоты делятся на две группы:

— рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу;

— дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

Важнейшими гетероциклическими основаниями служат производные пиримидина и пурина, которые называют нуклеиновыми основаниями. К числу важнейших нуклеиновых оснований относятся гидрокси- и аминопроизводные пиримидина – урацил, тимин и цитозин и пурина – аденин и гуанин (рис. 1).

Рис. 1. Структурные формулы нуклеиновых оснований.

РНК и ДНК имеют много общих черт в строении своих молекул:

— каркас их полинуклеотидных цепей состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков;

— каждая фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с атомом С-3’ предыдущего нуклеотидного звена и с атомом С-5’ – последующего нуклеотидного звена;

— нуклеиновые основания образуют с пентозными остатками N-гликозидную связь.

Запись строения полинуклеотидов производится с использованием общепринятой формы однобуквенного обозначения нуклеозидов, входящих в состав нуклеотидных звеньев, с добавлением латинской буквы «p», кодирующей фосфатный остаток (рис. 2.).

Рис. 2. Двойная спираль ДНК.

Все вышеописанные характеристики входят в понятие первичной структуры нуклеиновых кислот (последовательность нуклеотидных звеньев, связанных фосфодиэфирными связями в непрерывную цепь полинуклеотида).

Под вторичной структурой нуклеиновых кислот пространственную организацию их полинуклеотидных цепей. Молекулы ДНК состоят из двух полинуклеотидных цепей правозакрученных вокруг общей оси с образованием водородные связи. Они образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого (- NH₂….O=C=), а также между пиррольными и пиримидиновыми атомами азота (= NH…N≡).

Примеры решения задач

Нуклеотиды | Кинезиолог

Определение понятия

Нуклеотиды — это сложные мономеры, из которых собраны гетерополимерные молекулы ДНК и РНК. Свободные нуклеотиды участвуют в сигнальных и энергетических процессах жизнедеятельности.  ДНК-нуклеотиды и РНК-нуклеотиды имеют общий план строения, но различаются по строению сахара-пентозы. В ДНК-нуклеотидах используется сахар дезоксирибоза, а в РНК-нуклеотидах — рибоза. Для включения в цепь нуклеиновой кислоты свободный нуклеотид должен быть активирован, т.е. иметь в своём составе вместо монофосфата трифосфат.

Структура нуклеотида

В каждом нуклеотиде можно выделить 3 части:

1. Углевод — это пятичленный сахар-пентоза (рибоза или дезоксирибоза) в виде кольца с коротким «хвостиком».

2. Фосфатный остаток -H₂PO₃ (фосфат) — это остаток фосфорной кислоты. Именно этой частью нуклеотиды могут присоединяться друг к другу и формировать цепочки из нуклеотидов — РНК или ДНК. Но для того чтобы присоединиться к другому нуклеотиду, данному нуклеотиду нужен не простой одинарный фосфатный остаток, а трифосфатный, состоящий из трёх фосфатов, соединённых мактроэргическими связями, дающими много энергии при расщеплении.

3. Азотистое основание — это циклическое соединение, в котором много атомов азота. В нуклеиновых кислотах используется всего 5 видов азотистых оснований : Аденин, Тимин, Гуанин, Цитозин, Урацил. В ДНК — 4 вида: Аденин, Тимин, Гуанин, Цитозин. В РНК — тоже 4 вида: Аденин, Урацил, Гуанин, Цитозин, Легко заметить, что в РНК происходит замещение Тимина на Урацил по сравнению с ДНК.

Общая структурная формула пентозы (рибозы или дезоксирибозы), молекулы которой образуют «скелет» нуклеиновых кислот:

 Если  Х заменить на Н (Х = Н) — то получаются дезоксирибонуклеозиды; если Х заменить на ОН (Х = ОН) — то получаются рибонуклеозиды. Если вместо R подставить азотистое основание (пуриновое или пиримидиновое) — то получится конкретный нуклеотид.

 Важно обратить внимание на те положения атомов углерода в пентозе, которые обозначены как 3′ и 5′. Нумерация атомов углерода начинается от атома кислорода вверху и идёт по часовой стрелке. Последним получается атом углерода (5′), который располагается за пределами пентозного кольца и образует, можно сказать, «хвостик» у пентозы. Так вот, при наращивании цепочки из нуклеотидов фермент может присоединить новый нуклеотид только к углероду 3′ и ни к какому другому. Поэтому 5′-конец нуклеотидной цепочки никогда не сможет иметь продолжения, удлинняться может только 3′-конец.

Азотистые основания

Нуклеотиды

Сравните нуклеотид для РНК с нуклеотидом для ДНК.

Попробуйте узнать, какой это нуклеотид, в таком представлении:

АТФ — свободный нуклеотид

цАМФ — «закольцованная» молекула АТФ

Схема строения нуклеотида

Обратите внимание на то, что активированный нуклеотид, способный наращивать цепочку ДНК или РНК, имеет «трифосфатный хвостик». Именно этим «энергонасыщенным» хвостиком он может присоединиться к уже имеющейся цепочке растущей нуклеиновой кислоты. Фосфатный хвостик сидит на 5-м атоме углерода, так что это положение углерода уже занято фосфатами и предназнено для прикрепления. К чему же его прикрепить? Только к углероду в положении 3′. После прикрепления данный нуклеотид сам станет мишенью дла прикрепления следующего нуклеотида. «Принимающая сторона» предоставляет углерод в положении 3′, а «прибывающая сторона» цепляется к нему фосфатным хвостиком, находящимся в положении 5′. В целом цепочка растёт со стороны 3′.

Наращивание нуклеотидной цепочки ДНК

 Наращивание цепочки за счёт «продольных» связей между нуклеотидами может идти только в одном направлении: от 5′ ⇒ к 3′, т.к. новый нуклеотид можно присоединить только к 3′-концу цепочки, но не к 5′-концу.

 Пары нуклеотидов, связанные «поперечными» комплементарными связями своих азотистых оснований

 Участок двойной спирали ДНК

Найдите признаки антипараллельности двух цепей ДНК.

Найдите пары нуклеотидов с двойными и тройными комплементарными связями.

Ошибка

Перейти на… Перейти на…Форум дистанционного консультированияСистемные требования для ЭУМККарта ЭУМКЭлектронный журнал ФФУважаемые студенты! Каждую неделю кафедра будет открывать тесты для отработки студентами УСР лекций. ОБЯЗАТЕЛЬНО нужно отработать все тесты по лекциям. Каждая тема будет открыта только одну неделюВНИМАНИЕ!!! Тесты УСР лекций находятся в блоке контроля знаний. Отработка лекций влияет на рейтинг!Базовая программа по дисциплине органическая химияУчебная программаУчебный план дисциплиныПОЛОЖЕНИЕ О РЕЙТИНГОВОЙ СИСТЕМЕ ОЦЕНКИ УСПЕВАЕМОСТИ СТУДЕНТОВ (РЕЙТИНГ-ПЛАН) ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДИСЦИПЛИНЫ «ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ» ПО КАФЕДРЕ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ НА ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОМ ФАКУЛЬТЕТЕ ВГМУУчебно-тематический план дисциплиныКАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ И УПРАВЛЯЕМОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ (УСР) ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ НА 2 КУРСЕ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА И ФПИГ (фармация) В ОСЕННЕМ (III) СЕМЕСТРЕ 2021-2022 уч.г.КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ И УПРАВЛЯЕМОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ (УСР) ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ НА 2 КУРСЕ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА В ОСЕННЕМ (III) СЕМЕСТРЕ 2021-2022 учебного годаРАСПИСАНИЕ ЛЕКЦИЙ И ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ по органической химии для студентов 2 курса фармацевтического факультета и ФПИГ «Фармация» на осенний семестр 2021-2022 учебного годаГрафик проведения консультаций и отработок пропущенных занятий для студентов 2 курса фармацевтического факультета в осеннем семестре 2021-2022 учебного годаПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКАКурс лекций (1 часть — осенний семестр)ТЕМА 2. Функциональные производные карбоновых кислот.ТЕМА 5. Функциональные производные угольной кислоты.ТЕМА 1. Карбоновые кислоты.TEMA 1 Гетерофункциональность как причина химических особенностей соединений. Реакционная способность аминокислот (пептиды и белки), гидрокси-, фенол- и оксокарбоновых кислот (часть 1)TEMA 2 Гетерофункциональность как причина химических особенностей соединений. Реакционная способность аминокислот (пептиды и белки), гидрокси-, фенол- и оксокарбоновых кислот (часть 2).TEMA 3 Углеводы. Строение, таутомерия моносахаридов.TEMA 4 Реакционная способность моносахаридов. Гликозиды.TEMA 5 Олиго- и полисахариды строение, реакционная способность.TEMA 6 Гетероциклические соединения. Строение и реакционная способность пятичленных ароматических гетероциклов. УСРTEMA 7 Строение и реакционная способность шестичленных гетероциклов.TEMA 8 Конденсированные гетероциклические соединения. Алкалоиды. УСРУчебные вопросы к теме «Конденсированные гетероциклы. Алкалоиды»ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПОДГОТОВКИ ПО ТЕМЕ «КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛЫ. АЛКАЛОИДЫ»Тренировочные тесты. Гетероциклические соединения. АлкалоидыНуклеозиды. Нуклеотиды. Нуклеиновые кислотыНуклеозиды, нуклеотиды. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫНуклеозиды, нуклеотиды. ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПОДГОТОВКИ:Тренировочные тесты. Нуклеотиды. Нуклеозиды. Нуклеиновые кислотыTEMA 10 Липиды. Основы строения и реакционной способности омыляемых липидов. УСРОмыляемые липиды. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫТренировочные тесты. ЛипидыTEMA 11 Изопреноиды. Терпены и терпеноиды. УСРТерпены и терпеноиды. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫТренировочные тесты. Терпены. СтероидыTEMA 12 Стероиды, основы строения, типичная реакционная способность. УСРСтероиды. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ СТЕРОИДЫ. ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПОДГОТОВКИЗАНЯТИЕ № 14 ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ. ЭКСТРАКЦИЯ.Синтез. Экстракция.УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫДомашнее задание. ЗАНЯТИЕ № 15. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. ВОЗГОНКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ПЛАВЛЕНИЯ И КИПЕНИЯВопросы для подготовки к занятию и вопросы домашнего задания по теме. Очистка вещества методами кристаллизации и возгонки. Определение температур кипения и плавленияЗадачи. Очистка вещества методами кристаллизации и возгонки. Определение температур кипения и плавления.Очистка вещества методами кристаллизации и возгонки. Определение температур кипения и плавленияЗАНЯТИЕ № 16. ПЕРЕГОНКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ.КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1 ситуационные задачиПлан оформления УИРСКОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2 УИРС-1: список соединенийКОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2: сводные вопросы и ситуационные задачиКонтрольная работа №3 Контрольная работа № 3Сводные вопросы к.р. № 4Программно-дидактические тестовые материалы — осенний семестр 1 частьПрограммно-дидактические тестовые материалы — осенний семестр 2 частьПрограммно-дидактические тестовые материалы — осенний семестр 3 частьПрограммно-дидактические тестовые материалы — весенний семестр Тестирование. УСР. (с объяснениями)ОБЪЕМ ЭКЗАМЕНАЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ УСТНОГО СОБЕСЕДОВАНИЯ ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ УСТНОЕ СОБЕСЕДОВАНИЕПеречень практических навыков по органической химииПеречень знаний и уменийМатериалы для экзамена по практическому навыку в 2020-2021 уч.г.СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИМетодические материалы для подготовки к занятиям в осеннем семестре часть 1Методические материалы для подготовки к занятиям в осеннем семестре часть 2ЗАНЯТИЕ № 14 Амины. Диазосоединения.ЗАНЯТИЕ № 15 Амины. Диазосоединения.ЗАНЯТИЕ №17. Карбоновые кислотыЗАНЯТИЕ 18. Особенности строения и реакционная способность монофункциональных соединений.ЗАНЯТИЕ №1. Функциональные производные карбоновых кислот.Методические материалы для подготовки к занятиям в весеннем семестре часть 1Методические материалы для подготовки к занятиям в весеннем семестре часть 2Определение оптической активности глюкозыУСР в IV (весеннем) семестреТРЕНИРОВОЧНЫЕ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ТЕСТЫТренировочное тестирование по органической химииСписок рекомендуемой литературыСПРАВОЧНЫЕ РАЗДАТОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИМЕЮЩЕЙСЯ В БИБЛИОТЕКЕ УО «ВГМУ»

Генные мутации, задачи на генные мутации

Генные мутации, задачи на генные мутации. Генная мутация-изменение нуклеотидной последовательности одного гена.

Типы генных мутаций: 

1. Замена одного нуклеотида в гене на другой нуклеотид (миссенс мутация). Происходит из-за ошибки ДНК-полимеразы при репликации ДНК.

 Последствия миссенс мутаций:

а) Миссенс мутация приводит к изменению первичной структуры и функции соответствующего белка, если образовавшейся в результате мутации кодон кодирует новую аминокислоту.

До мутации:

ДНК: АТГЦЦАААГГГА

иРНК: УАЦГГУУУЦЦЦУ

первичная стр-ра белка: Тир Гли Фен Про

После мутации:

ДНК: АТГЦЦАААТГГА

иРНК: УАЦГГУУУАЦЦУ

первичная стр-ра белка: Тир Гли Лей Про

В результате мутации произошла замена одной аминокислоты, следовательно, первичная структура и функция белка изменились.

б) Миссенс мутация не приводит к изменению первичной структуры и функции соответствующего белка, если образовавшейся в результате мутации кодон кодирует ту же аминокислоту, что и исходный (из-за свойства вырожденности генетического кода).

До мутации:

ДНК:  АТГЦЦАААГГГА

иРНК: УАЦГГУУУЦЦ

первичная стр-ра белка: Тир Гли Фен Про

После мутации:

ДНК:  АТГЦЦААААГГА

иРНК:  УАЦГГУУУУЦЦУ

первичная стр-ра белка: Тир Гли Фен Про

В результате мутации произошла замена Г на А в составе последовательности ДНК. Однако эта мутация не привела к изменению структуры и функции соответствующего белка, так как новый кодон УУУ кодирует ту же аминокислоту (Фен), что и исходный – УУЦ.

2. Выпадение или вставка одного или нескольких кодонов в составе нуклеотидной последовательности гена. Выпадение одного кодона происходит из-за ошибки ДНК-полимеразы при репликации ДНК и приводит к выпадению одной аминокислоты из первичной структуры белка. Соответственно, такая мутация приводит к изменению структуры и функции соответствующего белка.

До мутации:

ДНК:  АТГЦЦАААГГГА

иРНК:  УАЦГГУУУЦЦЦУ

первичная стр-ра белка: Тир Гли Фен Про

После мутации:

ДНК:  АТГААГГГА

иРНК:  УАЦУУЦЦЦУ

первичная стр-ра белка: Тир Фен Про

3. Вставка или выпадение одного или 2-х нуклеотидов (Мутация со смещением открытой рамки считывания). Происходит из-за ошибки ДНК-полимеразы при репликации ДНК. Данная мутация приводит к изменению всех аминокислот в первичной структуре белка, начиная с точки мутации. Это в большинстве случаев приводит к полному нарушению структуры и функции белка.

До мутации:

ДНК:  АТГЦЦЦАТААГЦ

иРНК: УАЦГГГУАУУЦГ

первичная стр-ра белка: Тир Гли Тир Сер

В результате мутации произошла вставка 1 нуклеотида

После мутации:

ДНК:  АТГГЦЦЦАТААГЦ

иРНК: УАЦЦГГГУАУУЦГ

первичная стр-ра белка: Тир  Арг Вал Фен

4. Появление стоп-кодона в кодирующей части гена (нонсенс мутация). В результате, полипептидная цепь соответствующего белка становится короче, что приводит к значительному изменению первичной структуры и функции белка.

До мутации:

ДНК:  АТГЦЦЦАТААГЦ

иРНК: УАЦГГГУАУУЦГ

первичная стр-ра белка: Тир Гли Тир Сер

Произошла замена Т на Ц в последовательности нуклеотидов соответствующего гена. В результате в кодирующей части мРНК возник стоп-кодон – УАГ, что привело к преждевременной остановке трансляции.

После мутации:

ДНК:  АТГЦЦЦАЦААГЦ

иРНК: УАЦГГГУАГУЦГ

первичная стр-ра белка: Тир Гли

Одна из задач ЕГЭ на тему «Генные мутации»

Задача 6

В результате генной мутации в полипептидной цепи соответствующего белка аминокислота Про заменилась на Цис. Последовательность иРНК до мутации: ГЦУУУЦЦЦЦГАЦУЦА. Определите аминокислотный состав молекулы нормального и мутированного белка, а также возможные последовательности нуклеотидов мутированной иРНК. Ответ поясните.

До мутации:

иРНК: ГЦУУУЦЦЦЦГАЦУЦА

белок: Ала Фен Про Асп Сер

Причиной замены третьей аминокислоты Про на Цис являлась генная мутация в нуклеотидной последовательности соответствующего гена, в результате которой произошло изменение триплета в составе мРНК, кодирующего третью аминокислоту. Исходя из свойства вырожденности генетического кода, аминокислота Цис может быть закодирована двумя возможными триплетами – УГУ, УГЦ. Соответственно, в результате мутации в иРНК мог появиться любой из этих триплетов. Вероятнее всего УГЦ, так как при этом должно замениться меньше всего нуклеотидов.

Варианты мутированной последовательности иРНК: ГЦУУУЦУГУГАЦУЦА; ГЦУУУЦУГЦГАЦУЦА

После мутации:

иРНК: ГЦУУУЦУГЦГАЦУЦА

белок: Ала Фен Цис Асп Сер

Ответ: последовательности иРНК с мутацией: ГЦУУУЦУГУГАЦУЦА; ГЦУУУЦУГЦГАЦУЦА.

Первичная структура нормального белка: Ала Фен Про Асп Сер

Первичная структура белка после мутации: Ала Фен Цис Асп Сер

Химики на порядок увеличили размер одноцепочечного ДНК-оригами

D. Han et al./ Science, 2017

С помощью методики оригами нуклеиновых кислот химики собрали самые большие структуры с заранее заданной геометрией из одноцепочечных молекул — в частности, удалось собрать ромб, сердечко и смайлик. В результате усовершенствованного подхода удалось получить ДНК-структуры из 10 тысяч нуклеотидов и РНК-структуры из 6 тысяч нуклеотидов, сообщают ученые в статье в Science.

Структура нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) представляет собой цепочки, состоящие из нуклеотидов (аденин, цитозин и гуанин — в обеих кислотах, а также тимин, который встречается только в молекулах ДНК, и урацил — только в РНК). Из-за того, что нуклеотиды способны к образованию комплементарных связей друг с другом (гуанин — с цитозином, а аденин с тимином или урацилом), нуклеиновые кислоты способны формировать структуры двойной спирали, а также осуществлять процессы репликации, транскрипции и трансляции. Природу комплементарности связей химики решили использовать в методиках ДНК- и РНК-оригами для того, чтобы составлять из отдельных одиночных коротких участков молекул нуклеиновых кислот искусственные структуры заранее заданной формы и с нужным расположением функциональных групп, складывая полимерные цепочки и фиксируя эти складки с помощью специальных молекул-скрепок.

Обычно в оригами из нуклеиновых кислот используются молекулярные петли из довольно коротких цепочек, которые потом соединяются вместе в одну общую структуру размером в несколько десятков нанометров. Те же функциональные структуры, которые удавалось полностью собрать из одиночных молекул, содержали в себе только от 80 до 660 нуклеотидов. В одном из экспериментов удалось сложить в восьмиугольник цепочку сразу из 1669 нуклеотидов, но для этого использовались четыре вспомогательных, более коротких молекулы.

Группа химиков из США, Германии, Франции и Китая под руководством Пэн Иня (Peng Yin) из Гарвардского университета разработала методику, с помощью которой большие нанометровые структуры нужной геометрии можно собирать из всего одной длинной одноцепочечной (англ. single strand) молекулы нуклеиновой кислоты (в своей работе ученые рассмотрели и ДНК, и РНК).

Схема узлов для фиксации нужной структуры, в которых между спиральными структурам происходит обмен участками цепочки. Снизу показана смоделированная схема разворачивания цепочки под действием внешней силы

D. Han et al./ Science, 2017

В результате авторам работы удалось собрать системы различных заданных заранее геометрий из одноцепочечной ДНК в 10 тысяч нуклеотидов и одноцепочечной РНК в 6 тысяч нуклеотидов. Геометрию полученных наноструктур размером от 10 до 30 нанометров авторы работы изменяли в довольно широких пределах: это могли быть треугольники, параллелограммы, круги и фигуры в форме сердечек.

Структура «ДНК-смайлика» из одноцепочечной молекулы (слева), и микрофотографии полученных экспериментально структур, сделанные с помощью атомно-силовой микроскопии

D. Han et al./ Science, 2017

Ученые отмечают, что системы, которые удается получать с помощью методики ДНК- и РНК-оригами уже значительно ближе к реальным приложениям. Авторы работы надеются, что предложенная методика из-за возможности воспроизведения в биологических условиях поможет получить одноцепочечные структуры, которые можно будет использовать, например, для наномедицины.

На прошлой неделе некоторые из ученых, входивших в коллектив авторов данной работы, вместе с коллегами из Германии и Франции опубликовали статью, в которой предложили обратный подход к ДНК-оригами — использование очень короткие молекулы ДНК, состоящие из всего нескольких десятков нуклеотидов. Системы из двух-трех таких молекул представляют собой «кирпичики», из которых, как из деталей конструктора, можно собирать большие и сложные трехмерные структуры.

Александр Дубов

В искусственную ДНК записали пять файлов общим объемом 5,2 мегабита

В искусственную ДНК записали пять файлов общим объемом 5,2 мегабита, в том числе звуковой файл с речью Мартина Лютера Кинга и научную статью нобелевских лауреатов, расшифровавших структуру этой молекулы.

Объединенная исследовательская группа из Европейского института биоинформатики (EBI), расположенного в Великобритании, и Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL), расположенной в Германии, совместно с компанией Agilent Technologies (США) разработала технологию, позволяющую использовать искусственные ДНК в качестве долговременного, надежного и энергонезависимого носителя информации. Статья с описанием технологии опубликована сегодня в Nature.

Используя в качестве устройства памяти короткие одноцепочечные ДНК, так называемые олигонуклеотиды (олигонуклеотид — короткая форма нуклеиновой кислоты, содержащая относительно небольшое, до нескольких десятков, число нуклеотидов), исследователи записали на массив таких ДНК пять различных файлов, содержащих полное собрание сонетов Шекспира (текст в формате ASCII), статью первооткрывателей структуры ДНК Джеймса Уотсона и Френсиса Крика «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» в формате PDF, цветное фото здания ЕBI в формате JPEG, 26-секундный MP3-файл с фрагментом речи Мартина Лютера Кинга «У меня есть мечта», а также файл с алгоритмом Хаффмана, использованным для конвертации бинарных файлов в вид, удобный для представления данных через последовательность азотистых оснований ДНК.

Общий объем полезных данных, записанных и считанных с ДНК, составил примерно 5,2 мегабита.

close

100%

Для записи этого объема было использовано 153 335 синтезированных коротких цепочек ДНК по 117 нуклеотидов (117 битов) каждая. Данные кодировались в четырех блоках по 25 нуклеотидов. В оставшихся 17 нуклеотидах (17 бит) кодировались адресные метки, необходимые для сборки данных в исходный файловый массив.

Кодирование происходило в три этапа. Двоичный код, в котором были представлены данные, сначала конвертировался на компьютере в троичный посредством алгоритма Хаффмана, с помощью которого восьмибитные блоки данных (байты) представлялись в виде последовательности из пяти троичных чисел, или тритов (0,1,2). Далее блочная последовательность тритов конвертировалась в код из трех нуклеотидов.

Троичная кодировка позволяла не только сжать данные, но и уменьшить вероятность ошибок при последующем считывании ДНК и реконструкции двоичного массива.

Как известно, ДНК представляет собой полимерную молекулу, в состав которой входят четыре нуклеотида (аденин, гуанин, тимин и цитозин — А, Г, Т, Ц). Для конвертации троичного кода достаточно трех, поэтому в каждом последующем троичном блоке основания можно было комбинировать по-разному, ведь один из четырех нуклеотидов в них мог отсутствовать. Последнее гарантировало, что при синтезе ДНК два и более одинаковых нуклеотида не пришлось бы стыковать в одну полимерную цепочку (так называемый гомополимер), что снижает вероятность ошибок при последующей реконструкции данных.

close

100%

Полученные таким образом 153335 ДНК-кода были отосланы в США в Agilent Technologies, где они были синтезированы на специальном оборудовании, при этом каждая из 117-битных олигонуклеотидных молекул была размножена в 12 млн копий.

Замороженный и высушенный в вакууме массив синтезированных ДНК, представляющий собой крошечную щепотку органики в герметично запаянной пробирке, был отослан обычной срочной почтой обратно в Англию и далее — в Германию, в одну из лабораторий EMBL, где ДНК были обратно расшифрованы с почти стопроцентной точностью, позволившей, в свою очередь, успешно реконструировать пять первоначальных файлов (число и содержание которых сотрудники лаборатории не знали).

Рассматривать ДНК-память в качестве будущего потенциального стандарта хранения и считывания данных позволяют впечатляющие преимущества, которые имеет эта технология перед электронно-оптическими запоминающими устройствами, которые используются сейчас. Это огромная плотность записи (теоретически, то есть в предельном «идеальном» случае в одном грамме одноцепочечной ДНК можно записать до 455 эксабайт данных, кодируя два бита на один нуклеотид), энергонезависимость, а также долговечность: ДНК со временем хоть и деградирует, но в природной среде может сохранять информацию десятки тысяч лет, а при искусственной консервации и дольше.

Запоминать информацию посредством ДНК успешно пробуют еще с конца 80-х, однако настоящий прорыв в этом направлении произошел только сейчас, со стремительным удешевлением и, главное, увеличением точности технологий по быстрому синтезу и расшифровке ДНК-молекул.

Заметим, что команда EBI-EMBL, описавшая технологию своей ДНК-памяти в Nature, не является здесь первопроходцем.

Относительно недавно группа Джорджа Чёрча, давно экспериментирующая с ДНК-памятью и работающая в Гарварде, сообщила в конкурирующем Science, что ей удалось записать и считать с синтезированного массива коротких одноцепочечных ДНК несколько файлов (книгу, изображения и JAVA-код), притом точно такого же общего объема — 5,2 мегабита, о чем еще полгода назад подробно писала «Газета.Ru».

Сравнение использованных технологий показывает, что обе группы использовали практически идентичные методы записи и считывания информации с ДНК.

Массив данных сначала разбивался на блоки размером чуть больше ста бит, затем перекодировался в буквенную последовательность нуклеотидов, на основе которой синтезировались короткие, чуть больше 100 оснований, ДНК-цепочки. Считывание информации с массива осуществлялось с помощью автоматизированной полимеразно-цепной реакции и параллельных ДНК-секвенаторов новейшего поколения: ДНК-цепочки многократно клонировали, далее, одновременно корректируя ошибки, прочитывали, а получившиеся коды соединяли в массивы данных в соответствии с адресными метками, расположенными на концах цепочек.

Единственное существенное отличие заключается в схеме кодирования двоичного потока в последовательность нуклеотидов: если группа Чёрча использовала простую схема конвертации, приняв пару разных оснований (например, АГ и ТЦ) за условные «ноль» и «единицу», то команда EBI-EMBL использовала более сложный алгоритм, конвертировав битовый поток в тритовый (троичный) посредством алгоритма Хаффмана. Последнее позволило сжать данные, затолкав больше информации в 5,2 мегабит, и снизить вероятность ошибок, исключив из ДНК-массива гомополимерные цепочки. Еще одним трюком, повысившим устойчивость к ошибкам, было четырехкратное дублирование 117-битных цепочек с регулярным смещением кода на 25 бит, притом каждый второй дубль кодировался в обратной последовательности. При такой схеме вероятность возникновения одинаковых ошибок сразу в нескольких цепочках становится ничтожно малой.

Именно устойчивость к ошибкам авторы статьи в Narture назвали главным преимуществом своей технологии, отвечая на специально организованном пресс-брифинге на вопрос, чем же их ДНК-память отличается от ДНК-памяти, разработанной в Гарварде.

С этим, впрочем, можно и поспорить: во-первых, группа Чёрча также заложила в свою ДНК-память алгоритм коррекции ошибок, при котором сравнивались коды размноженных «зеркальных» ДНК-цепочек. Во-вторых, сами авторы статьи в Nature признают «избыточность» своей схемы, так как точность современных устройств, синтезирующих и считывающих короткие, до 200 оснований, цепочки ДНК, очень высокая, а среднее число ошибок редко превышает одну на 500 оснований.

close

100%

Как бы то ни было, несмотря на идентичность проведенных опытов по эксплуатации искусственной ДНК в качестве носителя данных, а также забавные издержки конкуренции двух главных научных журналов, державших в секрете друг от друга почти одинаковые по содержанию статьи с описанием интересной и перспективной технологии, которые поступили к ним почти в одно и то же время — в начале лета 2012 года (Science, как видим, отреагировал более оперативно, и планируемой маленькой сенсации у Nature все-таки не вышло), дебют ДНК-памяти можно считать успешным. Потенциальной же областью ее применения может стать долгосрочное архивирование относительно нечасто запрашиваемой информации: оценив темпы, с которой дешевеет технология ДНК-синтеза и дешифровки, группа EBI-EMBL прогнозирует, что конкурировать с технологиями хранения данных на магнитных лентах, до сих пор весьма востребованными, ДНК-память сможет уже в ближайшие 50 лет.

Структура и функции ДНК

Цели обучения

• Опишите биохимическую структуру дезоксирибонуклеотидов
• Определите пары оснований, используемые в синтезе дезоксирибонуклеотидов
• Объясните, почему двойная спираль ДНК описывается как антипараллельная

В разделе «Микробный метаболизм» мы обсудили три класса макромолекул: белки, липиды и углеводы. В этой главе мы обсудим четвертый класс макромолекул: нуклеиновые кислоты.Как и другие макромолекулы, нуклеиновые кислоты состоят из мономеров, называемых нуклеотидами , которые полимеризуются с образованием больших цепей. Каждая цепь нуклеиновой кислоты содержит определенные нуклеотиды, которые появляются в определенном порядке внутри цепи, называемые ее последовательностью оснований . Последовательность оснований дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) отвечает за перенос и сохранение наследственной информации в клетке. В разделе «Механизмы микробной генетики» мы подробно обсудим способы, которыми ДНК использует свою собственную последовательность оснований для управления собственным синтезом, а также синтез РНК и белков , что, в свою очередь, дает продукты с различными структура и функции.В этом разделе мы обсудим основную структуру и функцию ДНК.

Нуклеотиды ДНК

Строительными блоками нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Нуклеотиды, составляющие ДНК, называются дезоксирибонуклеотидами . Три компонента дезоксирибонуклеотида — это пятиуглеродный сахар, называемый дезоксирибоза, , фосфатная группа, и азотистое основание , азотсодержащая кольцевая структура, которая отвечает за комплементарных пар оснований между цепями нуклеиновых кислот (Рисунок 1 ).Атомы углерода пятиуглеродной дезоксирибозы пронумерованы 1ʹ, 2ʹ, 3ʹ, 4ʹ и 5ʹ (1ʹ читается как «один простой»). Нуклеозид содержит пятиуглеродный сахар и азотистое основание.

Рис. 1. (a) Каждый дезоксирибонуклеотид состоит из сахара, называемого дезоксирибозой, фосфатной группы и азотистого основания — в данном случае аденина. (b) Пять атомов углерода в дезоксирибозе обозначены как 1ʹ, 2ʹ, 3ʹ, 4ʹ и 5ʹ.

Дезоксирибонуклеотид назван в соответствии с азотистыми основаниями (рис. 2).Азотистые основания аденин (A) и гуанин (G) представляют собой пурины ; они имеют двойную кольцевую структуру с шестиуглеродным кольцом, конденсированным с пятиуглеродным кольцом. Пиримидины , цитозин (C) и тимин (T) представляют собой более мелкие азотистые основания, которые имеют только шестиуглеродную кольцевую структуру.

Рис. 2. Азотистые основания в ДНК подразделяются на пурины с двумя кольцами, аденин и гуанин, и пиримидины с одним кольцом, цитозин и тимин.Тимин уникален для ДНК.

Отдельные нуклеозидтрифосфаты соединяются друг с другом ковалентными связями, известными как 5ʹ-3ʹ фосфодиэфирные связи , или связями, посредством которых фосфатная группа, присоединенная к 5ʹ атому углерода сахара одного нуклеотида, связывается с гидроксильной группой 3ʹ углерода сахара. следующего нуклеотида. Фосфодиэфирная связь между нуклеотидами образует сахарно-фосфатный остов , чередующуюся сахарно-фосфатную структуру, составляющую каркас цепи нуклеиновой кислоты (рис. 3).В процессе полимеризации используются дезоксинуклеотидтрифосфаты (dNTP). Чтобы построить сахарно-фосфатный остов, два концевых фосфата высвобождаются из dNTP в виде пирофосфата. Полученная цепь нуклеиновой кислоты имеет свободную фосфатную группу на 5′-углеродном конце и свободную гидроксильную группу на 3′-углеродном конце. Две неиспользованные фосфатные группы из нуклеотидтрифосфата высвобождаются в виде пирофосфата во время образования фосфодиэфирной связи. Впоследствии пирофосфат гидролизуется, высвобождая энергию, используемую для полимеризации нуклеотидов.

Рис. 3. Фосфодиэфирные связи образуются между фосфатной группой, присоединенной к 5ʹ атому углерода одного нуклеотида, и гидроксильной группой 3ʹ углерода в следующем нуклеотиде, вызывая полимеризацию нуклеотидов в цепи нуклеиновой кислоты. Обратите внимание на 5ʹ и 3ʹ концы этой цепи нуклеиновой кислоты.

Подумай об этом

• Что означают 5ʹ и 3ʹ концы цепи нуклеиновой кислоты?

Открытие двойной спирали

К началу 1950-х годов накопилось немало свидетельств того, что ДНК была генетическим материалом клеток, и теперь гонка продолжала открывать ее трехмерную структуру.Примерно в это же время австрийский биохимик Эрвин Чаргафф (1905–2002) исследовал содержание ДНК у разных видов и обнаружил, что аденин, тимин, гуанин и цитозин не были обнаружены в равных количествах и что оно варьировалось от вида к виду. видов, но не между особями одного и того же вида. Он обнаружил, что количество аденина было очень близко к количеству тимина, а количество цитозина было очень близко к количеству гуанина, или A = T и G = C.Эти отношения также известны как правила Чаргаффа .

Рис. 4. Рентгенограмма ДНК показывает ее спиральную природу. (Источник: Национальные институты здравоохранения)

Другие ученые также активно исследовали эту область в середине 20 века. В 1952 году американский ученый Линус Полинг (1901–1994) был ведущим в мире химиком-строителем и вероятным фаворитом в исследовании структуры ДНК. Ранее Полинг обнаружил структуру α-спиралей белка, используя дифракцию рентгеновских лучей , и, основываясь на изображениях дифракции рентгеновских лучей ДНК, сделанных в его лаборатории, он предложил трехцепочечную модель ДНК.В то же время британские исследователи Розалинд Франклин (1920–1958) и ее аспирант Р.Г. Gosling также использовали дифракцию рентгеновских лучей, чтобы понять структуру ДНК (рис. 4). Благодаря научным знаниям Франклина были получены более четкие рентгеновские дифракционные изображения ДНК, которые ясно показали бы общую структуру двойной спирали ДНК.

Джеймс Уотсон (1928–), американский ученый, и Фрэнсис Крик (1916–2004), британский ученый, работали вместе в 1950-х годах над открытием структуры ДНК.Они использовали правила Чаргаффа и Франклина и Уилкинса рентгеновские дифракционные изображения волокон ДНК, чтобы соединить воедино пурин-пиримидиновые пары двойной спиральной молекулы ДНК (рис. 5). В апреле 1953 года Watson и Crick опубликовали свою модель двойной спирали ДНК в Nature . В этот же выпуск включены статьи Уилкинса и его коллег, каждая из которых описывает различные аспекты молекулярной структуры ДНК.В 1962 году Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. К сожалению, к тому времени Франклин умер, и Нобелевские премии в то время не были присуждены посмертно. Однако работа по изучению структуры ДНК продолжалась. В 1973 году Александр Рич (1924–2015) и его коллеги смогли проанализировать кристаллы ДНК для подтверждения и дальнейшего выяснения структуры ДНК.

Рис. 5. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик построили эту модель структуры ДНК, показанную здесь на выставке в Музее науки в Лондоне.

Подумай об этом

• Каким ученым больше всего доверяют описание молекулярной структуры ДНК?

Структура ДНК

Уотсон и Крик предположили, что ДНК состоит из двух нитей, которые скручены друг вокруг друга, образуя правую спираль. Две цепи ДНК расположены на антипараллельно , так что 3ʹ конец одной цепи обращен к 5ʹ концу другой (рис. 6). 3′-конец каждой цепи имеет свободную гидроксильную группу, а 5′-конец каждой цепи имеет свободную фосфатную группу.Сахар и фосфат полимеризованных нуклеотидов образуют основу структуры, в то время как азотистые основания расположены внутри. Эти азотистые основания внутри молекулы взаимодействуют друг с другом, образуя пары оснований.

Анализ дифрактограмм ДНК показал, что в ДНК содержится примерно 10 оснований на один виток. Асимметричное расположение сахарно-фосфатных скелетов формирует большие бороздки (где скелет находится далеко друг от друга) и малые бороздки (где скелет находится близко друг к другу) (Рисунок 6).Эти бороздки — места, где белки могут связываться с ДНК. Связывание этих белков может изменять структуру ДНК, регулировать репликацию , или регулировать транскрипцию , ДНК в РНК.

Рисунок 6. Уотсон и Крик предложили модель двойной спирали для ДНК. (а) Сахарно-фосфатные скелеты находятся снаружи двойной спирали, а пурины и пиримидины образуют «ступеньки» лестницы спирали ДНК. (b) Две цепи ДНК антипараллельны друг другу.(c) Направление каждой цепи определяется нумерацией атомов углерода (от 1 до 5) в каждой молекуле сахара. 5ʹ конец — это тот, где углерод №5 не связан с другим нуклеотидом; 3ʹ конец — это тот, где углерод №3 не связан с другим нуклеотидом.

Спаривание оснований происходит между пурином и пиримидином. В ДНК аденин (A) и тимин (T) составляют комплементарных пар оснований , а цитозин (C) и гуанин (G) также являются комплементарными парами оснований, что объясняет правила Чаргаффа (рис. 7).Пары оснований стабилизированы водородными связями; аденин и тимин образуют между собой две водородные связи, тогда как цитозин и гуанин образуют между собой три водородные связи.

Рис. 7. Водородные связи образуются между дополнительными азотистыми основаниями внутри ДНК.

В лаборатории воздействие высоких температур или определенных химических веществ на две нити ДНК двойной спирали может разорвать водородные связи между комплементарными основаниями, тем самым разделив нити на две отдельные одиночные нити ДНК (однониточная ДНК [ оцДНК ]).Этот процесс называется денатурацией ДНК и аналогичен денатурации белка, как описано в разделе «Белки». Нити оцДНК также могут быть снова собраны вместе в виде двухцепочечной ДНК ( дцДНК ) посредством повторного отжига или ренатурации путем охлаждения или удаления химических денатурантов, позволяя этим водородным связям реформироваться. Способность искусственно манипулировать ДНК таким образом лежит в основе нескольких важных методов биотехнологии (рис. 8). Из-за дополнительной водородной связи между парой оснований C = G ДНК с высоким содержанием GC денатурировать труднее, чем ДНК с более низким содержанием GC.

Рис. 8. В лаборатории двойная спираль может быть денатурирована в одноцепочечную ДНК под воздействием тепла или химикатов, а затем ренатурирована путем охлаждения или удаления химических денатурантов, чтобы позволить цепям ДНК повторно отожиться. (кредит: модификация работы Эрнандеса-Лемуса Э., Никасио-Коллазо, Л.А., Кастаньеда-Приего, Р.)

Подумай об этом

• Каковы две дополнительные пары оснований ДНК и как они связаны друг с другом?

Функция ДНК

хранит информацию, необходимую для построения клетки и управления ею.Передача этой информации от матери к дочерним клеткам называется вертикальным переносом гена и происходит в процессе репликации ДНК. ДНК реплицируется, когда клетка создает дубликат своей ДНК, затем клетка делится, что приводит к правильному распределению одной копии ДНК в каждой полученной клетке. ДНК также может подвергаться ферментативной деградации и использоваться в качестве источника нуклеозидов и нуклеотидов для клетки. В отличие от других макромолекул, ДНК не играет структурной роли в клетках.

Подумай об этом

• Как ДНК передает генетическую информацию потомству?

Прокладывая путь для женщин в сфере науки и здравоохранения

Исторически женщины были недопредставлены в науке и медицине, и часто их новаторский вклад оставался относительно незамеченным. Например, хотя Розалинда Франклин выполнила исследования дифракции рентгеновских лучей , демонстрирующие двойную спиральную структуру ДНК, именно Уотсон и Крик прославились этим открытием, опираясь на свои данные.До сих пор остаются большие разногласия по поводу того, было ли уместным получение ими ее данных и способствовали ли личные конфликты и гендерная предвзятость задержке признания ее значительного вклада. Точно так же Барбара МакКлинток провела новаторскую работу в области генетики кукурузы (кукурузы) с 1930-х по 1950-е годы, открыв транспозонов (прыгающие гены), но она была признана намного позже, получив Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1983 году ( Рисунок 9).

Сегодня женщины по-прежнему недопредставлены во многих областях науки и медицины. В то время как женщины получают более половины ученых степеней бакалавра естественных наук, женщины получают только 46% докторских степеней. В академических кругах число женщин на каждом уровне карьерного роста продолжает сокращаться, при этом женщины занимают менее одной трети должностей ученых с докторской степенью на штатных должностях и менее четверти должностей. полное профессорство в 4-летних колледжах и университетах.Даже в медицинских профессиях, как и почти во всех других областях, женщины часто недопредставлены во многих медицинских профессиях и зарабатывают значительно меньше, чем их коллеги-мужчины, как показано в исследовании 2013 года, опубликованном в журнале Американской медицинской ассоциации .

Почему такое неравенство продолжает существовать и как нам разорвать эти циклы? Ситуация сложна и, вероятно, является результатом сочетания различных факторов, в том числе того, как общество определяет поведение девочек с раннего возраста и поддерживает их интересы как в профессиональном, так и в личном плане.Некоторые предполагают, что женщины не принадлежат к лаборатории, в том числе лауреат Нобелевской премии Тим Хант, чьи публичные комментарии 2015 года о том, что женщины слишком эмоциональны для науки, были встречены повсеместным осуждением.

Возможно, с раннего возраста девочек следует больше поддерживать в области естественных наук и математики (рис. 9). Программы в области науки, технологий, инженерии и математики (STEM), спонсируемые Американской ассоциацией женщин с университетским образованием (AAUW) и Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), являются прекрасными примерами программ, которые предлагают такую ​​поддержку.Вклад женщин в науку должен быть более широко известен общественности, а маркетинг, ориентированный на молодых девушек, должен включать больше изображений исторически и профессионально успешных женщин-ученых и медицинских работников, поощряя все яркие молодые умы, включая девушек и женщин, к продолжению карьеры. в науке и медицине.

Рис. 9. (a) Работа Барбары МакКлинток по генетике кукурузы в 1930-1950-х годах привела к открытию транспозонов, но в то время ее значение не было признано.(b) Усилия по наставничеству и постоянной социальной поддержке женщин в науке и медицине могут когда-нибудь помочь решить некоторые из проблем, препятствующих гендерному равенству на всех уровнях в науке и медицине. (кредит a: модификация работы Смитсоновского института; кредит b: модификация работы Haynie SL, Hinkle AS, Jones NL, Martin CA, Olsiewski PJ, Roberts MF)

Клиническая направленность: Аамир, часть 2

Этот пример продолжает историю Аамира, начатую в книге «Использование микробиологии для открытия секретов жизни».

Основываясь на симптомах, врач Аамира подозревает, что он страдает пищевым заболеванием, которое он приобрел во время своих путешествий. Возможные варианты включают бактериальную инфекцию (например, энтеротоксигенный E. coli , Vibrio cholerae , Campylobacter jejuni , Salmonella ), вирусную инфекцию (ротавирусную или протозойную инфекцию), Giardia lamblia , Cryptosporidium parvum или Entamoeba histolytica ).

Его врач назначает образец стула для выявления возможных возбудителей (например, бактерий, кист) и поиска крови из-за определенных типов инфекционных агентов (например, C. jejuni , Salmonella и E. histolytica ) связаны с выделением кровавого стула.

Образец стула Аамира не показал ни крови, ни кист. После анализа образца стула и на основании его недавней истории путешествий врач больницы заподозрил, что Аамир страдает диареей путешественников, вызванной энтеротоксигенным возбудителем E.coli ( ETEC ), возбудитель диареи большинства путешественников. Чтобы проверить диагноз и исключить другие возможности, врач Аамира заказал диагностический лабораторный анализ его стула для поиска последовательностей ДНК, кодирующих специфические факторы вирулентности ETEC. Врач посоветовал Аамиру пить много жидкости, чтобы восполнить то, что он теряет, и выписал его из больницы.

ETEC продуцирует несколько факторов вирулентности, кодируемых плазмидой, которые делают его патогенным по сравнению с типичным E.coli . К ним относятся секретируемые токсины , термолабильный энтеротоксин (LT), и термостабильный энтеротоксин (ST) (ST) , а также фактор колонизации (CF) . И LT, и ST вызывают выведение ионов хлора из кишечных клеток в просвет кишечника, вызывая, как следствие, потерю воды из кишечных клеток, что приводит к диарее. CF кодирует бактериальный белок, который помогает бактериям прилипать к слизистой оболочке тонкой кишки.

• Почему врач Аамира использовал генетический анализ вместо выделения бактерий из образца стула или прямого окрашивания по Граму только образца стула?

Мы вернемся к примеру Амира на следующих страницах.

Ключевые концепции и резюме

• Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов , каждый из которых содержит пентозный сахар, фосфатную группу и азотистое основание . Дезоксирибонуклеотиды в ДНК содержат дезоксирибозу в качестве пентозного сахара.
ДНК
• содержит пиримидинов цитозин и тимин , а также пуринов аденин и гуанин .
• Нуклеотиды связаны друг с другом фосфодиэфирными связями между 5′-фосфатной группой одного нуклеотида и 3′-гидроксильной группой другого. Нить нуклеиновой кислоты имеет свободную фосфатную группу на 5′-конце и свободную гидроксильную группу на 3′-конце.
• Чаргафф обнаружил, что количество аденина примерно равно количеству тимина в ДНК, и что количество гуанина примерно равно цитозину .Позднее было установлено, что эти отношения связаны с дополнительным спариванием оснований.
• Уотсон и Крик, опираясь на работы Чаргаффа, Франклина и Гослинга и Уилкинса, предложили модель двойной спирали и спаривание оснований для структуры ДНК.
ДНК
• состоит из двух комплементарных цепей, ориентированных на антипараллельно друг другу с фосфодиэфирными остовами на внешней стороне молекулы. Азотистые основания каждой нити обращены друг к другу, а дополнительные водородные связи оснований связываются друг с другом, стабилизируя двойную спираль.
• Тепло или химические вещества могут разорвать водородные связи между комплементарными основаниями, денатурируя ДНК. Охлаждение или удаление химикатов может привести к ренатурации или повторному отжигу ДНК, позволяя водородным связям реформироваться между дополнительными основаниями.
• ДНК хранит инструкции, необходимые для создания клетки и управления ею. Эта информация передается от родителя к потомству посредством вертикального переноса генов .

Множественный выбор

Что из перечисленного не встречается в ДНК?

1. тимин
2. фосфодиэфирные связи
3. комплементарная пара оснований
4. аминокислот

Ответ d.Аминокислоты не обнаруживаются в ДНК.

Если 30% оснований в молекуле ДНК составляют аденин, каков процент тимина?

1. 20%
2. 25%
3. 30%
4. 35%

Ответ c. 30% основ будет тимин.

Какое из следующих утверждений о спаривании оснований в ДНК неверно?

1. Пурины всегда пары оснований с пиримидинами.
2. Аденин связывается с гуанином.
3. Пары оснований стабилизированы водородными связями.
4. Спаривание оснований происходит внутри двойной спирали.

Ответ б. Аденин связывается с гуанином.

Если цепь ДНК содержит последовательность 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ, что из следующего является последовательностью комплементарной цепи ДНК?

1. 5ʹ-TAAGGCCTAGCT-3ʹ
2. 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ
3. 3ʹ-TAACCGGTACGT-5ʹ
4. 5ʹ-TCGATCCGGAAT-3ʹ

Ответ d. 5ʹ-TCGATCCGGAAT-3ʹ представляет собой комплементарную цепь ДНК.

Что происходит во время денатурации ДНК?

1. Водородные связи между комплементарными основаниями разрываются.
2. Фосфодиэфирные связи разрываются в сахарно-фосфатной цепи.
3. Водородные связи в сахарно-фосфатной основной цепи разрываются.
4. Фосфодиэфирные связи между комплементарными основаниями разрываются.

Ответ а. Разрываются водородные связи между комплементарными основаниями.

Заполните бланк

Конец цепи нуклеиновой кислоты со свободной фосфатной группой называется ________.

Конец цепи нуклеиновой кислоты со свободной фосфатной группой называется 5ʹ концом .

Верно / Неверно

Работа Розалинды Франклин и Р. Гослинг сыграл важную роль в демонстрации спиральной природы ДНК.

Пара оснований A-T имеет больше водородных связей, чем пара оснований C-G.

Подумай об этом

1. Какова роль фосфодиэфирных связей в сахарно-фосфатной основе ДНК?
2. Что означает термин «антипараллельный»?
3. Почему ДНК с высоким содержанием GC сложнее денатурировать, чем ДНК с низким содержанием GC?
4. Рассматривая структуру двойной спирали ДНК, как бы вы ожидали, что структура будет отличаться, если бы между двумя пуринами было спаривание оснований? Между двумя пиримидинами?
5. Определенный образец ДНК имеет состав, состоящий на 22% из тимина.Используйте правила Чаргаффа, чтобы ввести проценты для трех других азотистых оснований.

нуклеотидов | BioNinja

Навык:

• Рисование простых диаграмм структуры отдельных нуклеотидов ДНК и РНК с использованием кругов, пятиугольников

и прямоугольников для представления фосфатов, пентоз и оснований

Нуклеиновые кислоты являются генетическим материалом клетки и состоят из повторяющихся мономерных единиц, называемых нуклеотидами

Каждый нуклеотид состоит из трех основных компонентов:

• 5-углеродный пентозный сахар (пятиугольник)
• Фосфатная группа (кружок)
• Азотистое основание (прямоугольник)
  

И фосфатная группа, и азотистое основание присоединены к центральному пентозному сахару

• Азотистое основание присоединено к 1′-атому углерода (правая точка)
• Фосфатное основание присоединен к 5’– атому углерода (левая точка)

Простая схема одиночного нуклеотида

Понимание:

• ДНК и РНК нуклеиновых кислот являются полимерами нуклеотидов

В клетках присутствуют два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК

• ДНК ( d eoxyribo n ucleic a cid) — более стабильная двухцепочечная форма, которая хранит генетический план клеток.
• РНК ( r ibo n ucleic a cid) является более универсальной одноцепочечной формой, которая передает генетическую информацию для декодирования

И ДНК, и РНК являются полимерами нуклеотидов, однако существуют ключевые различия в составе нуклеотидов ДНК и РНК

Сравнение нуклеотидов ДНК и РНК

ДНК — структура

(Двойная спираль)

нуклеотидов

Базовые пары

A-T или T-A и C-G или G-C

Модель двойной спирали

На этой модели очень короткого участка ДНК вы можете увидеть, как A-T и пары оснований C-G составляют ступеньки лестницы, а сахара и фосфаты составьте две длинные пряди. На этой картинке ДНК не перекручена. В ДНК в одной хромосоме на самом деле будет иметь длину в сотни тысяч оснований.

Эти две модели показывают, как все атомы сахаров, фосфатов и азотистые основания подходят друг к другу, образуя «винтовую лестницу» или форма «витой лестницы», впервые предложенная методом дифракции рентгеновских лучей фотографии ДНК, сделанные Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом.

********

Или посетите эти сайты в Интернете, чтобы узнать, как колледжи учат структуре ДНК

Life Sciences Cyberbridge

Нуклеотиды и двойная спираль

ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, является наследуемым материалом, обнаруженным во всех клетках. ДНК предоставляет инструкции по созданию, поддержанию и регулированию клеток и организмов и передается, когда клетки делятся и когда организмы размножаются. В этом разделе будет изучена молекулярная структура ДНК и ее упаковка в клетках.В 1953 году, используя данные, полученные Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик определили, что ДНК существует в форме, известной как двойная спираль. Спираль — это извилистая структура, похожая на штопор; ДНК известна как двойная спираль, потому что в каждой молекуле ДНК есть две переплетенные нити.

На изображении выше штопор показан слева с обозначенной спиральной областью. Изображение в центре показывает структуру ДНК. Обратите внимание, что есть две нити: одна показана синим, другая — желтым.К другим примерам спирали относятся пряжа, телефонный шнур или винтовая лестница.

Каждая цепь двойной спирали состоит из повторяющихся звеньев, называемых нуклеотидами. Один нуклеотид состоит из трех функциональных групп: сахара, трифосфата и азотистого (азотсодержащего) основания, как показано ниже. Обратите внимание, что на рисунках, представленных в этом блоке, каждая немаркированная вершина структуры представляет собой атом углерода.

Сахар, содержащийся в ДНК, является разновидностью пятиуглеродного сахара, называемого рибозой.Структура рибозы изображена ниже. Каждый углерод рибозы пронумерован, как показано. Поскольку группа -ОН на 2 ’углероде отсутствует в форме рибозы, обнаруженной в ДНК, сахар в ДНК называется 2’-дезоксирибозой.

Вторым основным признаком нуклеотида является трифосфатная группа, присоединенная к 5’-углеродной группе рибозы. В водной среде, как и внутри клетки, фосфатные группы заряжены отрицательно, как показано на рисунке выше.

Третьим принципиальным признаком нуклеотида является основание, которое присоединено к 1 ’углероду рибозы. Хотя каждый нуклеотид в ДНК содержит идентичные сахарные и фосфатные группы, существует четыре разных основания и, следовательно, четыре разных нуклеотида, которые могут быть включены в ДНК. Четыре основания — это аденин, цитозин, гуаин и тимин, и их структуры показаны ниже.

Когда эти основания включены в нуклеотиды, нуклеотиды называются 2’-дезоксиаденозинтрифосфатом, 2’-дезоксицитидинтрифосфатом, 2’-дезоксигуанозинтрифосфатом и 2’-дезокситимидинтрифосфатом соответственно.Мы часто сокращаем это обозначение до A, C, G и T. Обратите внимание, что две пары оснований имеют схожую структуру. A и G имеют два углеродно-азотных кольца и известны как пурины. Напротив, C и T имеют одно углеродно-азотное кольцо и принадлежат к классу молекул, называемых пиримидинами.

Взаимодействие водородных связей между основаниями позволяет двум цепям ДНК образовывать двойную спираль. Эти взаимодействия специфичны: пары оснований A с T и пары оснований C с G. Это происходит через водородные связи, которые показаны пунктирными линиями на рисунке выше.Если бы ДНК представляли собой спиральную лестницу, пары оснований были бы ступенями. Ширина каждой «ступеньки» примерно одинакова, поскольку пара оснований всегда состоит из одного пиримидина и одного пурина. Нити ДНК идут антипараллельно или в противоположных направлениях: 5 ’конец одной цепи спарен с 3’ концом другой. Это показано на рисунке ниже.

Эта структура размещает неполярные основания ДНК в центре двухцепочечной молекулы, окруженной заряженными фосфатными группами.Это имеет два функциональных последствия. Во-первых, помните, что одинаковые заряды отталкивают друг друга. Структура двойной спирали с отрицательно заряженными фосфатами на внешних краях позволяет фосфатам располагаться как можно дальше друг от друга. Во-вторых, неполярные незаряженные основания скрыты в центре спирали. Клеточная среда является водной и поэтому полярной, поэтому окружение неполярных оснований заряженными фосфатами максимизирует растворимость ДНК в физиологических условиях. Более подробную информацию о полярности можно найти в руководстве по склеиванию.

3 части нуклеотида и как они связаны

Нуклеотиды — это строительные блоки ДНК и РНК, используемые в качестве генетического материала. Нуклеотиды также используются для передачи клеточных сигналов и для передачи энергии по клеткам. Вас могут попросить назвать три части нуклеотида и объяснить, как они связаны или связаны друг с другом. Вот ответ как для ДНК, так и для РНК.

Нуклеотиды в ДНК и РНК

И дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), и рибонуклеиновая кислота (РНК) состоят из нуклеотидов, которые состоят из трех частей:

1. Азотистое основание
   Пурины и пиримидины представляют собой две категории азотистых оснований.Аденин и гуанин — пурины. Цитозин, тимин и урацил — это пиримидины. В ДНК основаниями являются аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). В РНК основаниями являются аденин, гуанин, урацил и цитозин.
2. Pentose Sugar
   В ДНК сахар представляет собой 2′-дезоксирибозу. В РНК сахар — это рибоза. И рибоза, и дезоксирибоза представляют собой 5-углеродные сахара. Углероды пронумерованы последовательно, чтобы можно было отслеживать, куда прикреплены группы. Единственное различие между ними состоит в том, что 2′-дезоксирибоза имеет на один атом кислорода меньше, чем второй атом углерода.
3. Фосфатная группа
   Отдельная фосфатная группа — PO ₄ ^3-. Атом фосфора является центральным атомом. Один атом кислорода связан с 5 углеродом в сахаре и с атомом фосфора. Когда фосфатные группы соединяются вместе, образуя цепи, как в АТФ (аденозинтрифосфат), связь выглядит как O-P-O-P-O-P-O, с двумя дополнительными атомами кислорода, прикрепленными к каждому фосфору, по одному с каждой стороны от атома.

Хотя ДНК и РНК имеют некоторое сходство, они построены из немного разных сахаров, плюс между ними существует замена оснований.ДНК использует тимин (T), а РНК использует урацил (U). И тимин, и урацил связываются с аденином (А).

Как части нуклеотида соединяются или прикрепляются?

Основание прикреплено к первичному или первому углероду. Углерод номер 5 в сахаре связан с фосфатной группой. Свободный нуклеотид может иметь одну, две или три фосфатные группы, присоединенные цепочкой к 5-му углероду сахара. Когда нуклеотиды соединяются с образованием ДНК или РНК, фосфат одного нуклеотида присоединяется через фосфодиэфирную связь к 3-х углеродному остатку сахара следующего нуклеотида, образуя сахарно-фосфатный остов нуклеиновой кислоты.

— обзор | ScienceDirect Topics

46.9 Роль некодирующих РНК и эпигенетики в посттравматическом стрессовом расстройстве

Ранее SNP, связанные с рядом генов, описывались как геномные индикаторы уязвимости к посттравматическому стрессу. Недавние исследования предоставили доказательства того, что эпигенетические механизмы и нкРНК также участвуют в развитии посттравматического стрессового расстройства, увеличивая молекулярную сложность до следующего уровня. Первоначальное исследование на животных моделях, изучающее метилирование ДНК гена нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) на моделях посттравматического стрессового расстройства на крысах, обнаружило значительное увеличение метилирования ДНК BDNF в дорсальном гиппокампе, максимальное увеличение в субрегионе дорсального CA1 и значительное метилирование. снижение вентрального гиппокампа (СА3) после режима стресса (Roth et al., 2011). Между тем, это исследование не обнаружило изменений в метилировании ДНК BDNF в медиальной PFC или базолатеральной миндалине. Интересно, что уровни мРНК BDNF были снижены как в дорсальном, так и в вентральном CA1, что является ключевым доказательством того, что травматический стресс может вызывать метилирование генов ЦНС и изменять экспрессию генов в ключевых областях мозга, что приводит к патофизиологии посттравматического стрессового расстройства.

Недавнее исследование афроамериканцев, участвовавших в проекте Grady Trauma, показало, что деметилирование ДНК изменяет транскрипцию FKBP5, что приводит к долгосрочному нарушению регуляции стрессовой гормональной системы для регуляции стресса, связанной с посттравматическим стрессовым расстройством (Klengel et al., 2013). Сообщалось, что пациенты с посттравматическим стрессовым расстройством, которые столкнулись со значительным насилием в детстве, демонстрировали больше изменений в экспрессии генов, связанных с развитием центральной нервной системы и регуляцией иммунной системы, тогда как пациенты, не имевшие в анамнезе жестокого обращения в детстве, демонстрировали больше изменений в экспрессии генов, связанных с гибелью и ростом клеток. тарифное регулирование. Специфические изменения профиля метилирования ДНК были в 12 раз выше у пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством, подвергавшихся жестокому обращению в детстве (Mehta et al., 2013). В аналогичном исследовании профили экспрессии генов в зоне DLPFC Brodmann у 46 патологоанатомических пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством или без него были исследованы с использованием микроматриц кДНК, сфокусированных на митохондриях человека (hMitChip3) (Su et al., 2008). В общей сложности было обнаружено, что 119 генов по-разному экспрессируются между контрольными пациентами и пациентами с посттравматическим стрессовым расстройством, и большинство генов, измененных в образцах посттравматического стрессового расстройства, принадлежали к сетям нейрональной функции-выживания. Аналогичным образом, недавнее исследование с использованием жирных сывороток военнослужащих США оценило временные изменения метилирования ДНК в выбранных промоторных областях генов, связанных с иммунной системой, между диагнозом посттравматического стрессового расстройства, пре- и постдиагностикой, а также у контрольных пациентов.Это исследование показало снижение уровней мС в промоторных регионах длинной нкРНК h29 и интерлейкина-18 (IL18) у тех, у кого не развилось посттравматическое стрессовое расстройство после развертывания, в то время как у тех, у кого посттравматическое стрессовое расстройство действительно развилось, уровень IL18 был повышен (Rusiecki et al., 2013 ).

MicroRNAs (miRNA) недавно появились как эпигенетические модуляторы экспрессии генов при психических заболеваниях, таких как шизофрения и депрессия (Miller and Wahlestedt, 2010). miRNA представляют собой короткие одноцепочечные последовательности РНК, которые регулируют экспрессию генов, связываясь с регуляторными областями мРНК и предотвращая трансляцию, представляя другой механизм регуляции экспрессии генов помимо повышающей или понижающей регуляции транскрипции (Fabian et al., 2010). В недавнем исследовании, в котором сообщается о связи между miRNA и посттравматическим стрессовым расстройством, профили miRNA PFC у мышей C57BL / 6N дикого типа и контрольных мышей дикого типа были препарированы через 74 дня после того, как они подверглись либо единственному травматическому электрошоку, либо имитационному лечению (Schmidt et al. др., 2013). Флуоксетин — это антидепрессант, который эффективно используется как у пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством, так и у мышей, страдающих посттравматическим синдромом. Используя скрининг miRBase 18.0 и проверку qPCR, исследование обнаружило пять miRNA, в том числе одну (mmu-miR-1971), показывающую значительное снижение у мышей с шоком, получавших флуоксетин.

Релевантность некодирующего генома к болезням человека в основном изучалась в контексте экспрессии и функции miRNA. Однако для нас это все еще начало осознания природы и степени участия других нкРНК в заболевании. GWAS посттравматического стрессового расстройства был проведен с использованием преимущественно афроамериканской выборки женщин из Детройтского исследования здоровья, которое включало 94 случая посттравматического стрессового расстройства и 319 контрольных лиц, подвергшихся хотя бы одному травматическому событию, а также независимую когорту преимущественно американок европейского происхождения из числа медсестер.