DNA (Дезоксирибонуклеиновая кислота) – это основа жизни. Это молекула, которая содержит генетическую информацию, необходимую для развития и функционирования всех живых организмов. ДНК состоит из двух цепей нуклеотидов, связанных между собой гидрофобными взаимодействиями и водородными связями.
Структура ДНК
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органеллах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, прикреплена изнутри к клеточной мембране.
Азотистые основания в ДНК
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований: аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C). Азотистые основания одной цепи соединены с азотистыми основаниями другой цепи с помощью водородных связей согласно принципу комплементарности.
Строение ДНК-спирали
ДНК образует двойную спираль, где две цепи нуклеотидов закручены вокруг друг друга. Эта спираль стабилизирована водородными связями между азотистыми основаниями. В природе эта спираль чаще всего правоповоротная.
Формы ДНК
Структура ДНК может принимать различные формы, в зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы. Существующие формы включают формы A, B и Z.
Понимание структуры и функции ДНК играет важную роль в биологии и медицине. ДНК обладает удивительной способностью хранить и передавать информацию, что делает ее основой для всех биологических процессов.
Комплементарность двойной спирали и репликация ДНК
Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится также в другой цепи. Это важное свойство молекул ДНК обеспечивает их способность к точной репликации и передаче генетической информации.
Части молекул ДНК, которые должны быть легко разделимы из-за своих функций, содержат большое количество аденина (A) и тимина (T). Например, ТАТА последовательность в бактериальных промоторах.
Химические модификации азотистых оснований
Структура цитозина, 5-метилцитозина и тимина позволяет понять их взаимосвязь. Тимин может образовываться путем деаминирования 5-метилцитозина.
Структуры на концах хромосом
Молекула ДНК является главным носителем генетической информации в живых организмах. Репликация ДНК приводит к образованию двух копий изначальной цепочки, наследуемых дочерними клетками. Это обеспечивает генетическую идентичность клеток.
Генетическая информация в ДНК реализуется через экспрессию генов при транскрипции и трансляции. Нуклеотиды в последовательности ДНК кодируют информацию о различных типах РНК, таких как мРНК, рРНК и тРНК. Эти типы РНК играют разную роль в биосинтезе белков.
Последовательности генома, не кодирующие белки
Некодирующие белки последовательности генома также имеют значение для понимания функций генов и их взаимодействий в клетке. Даже если они не кодируют белки, эти области генома могут участвовать в регуляции экспрессии генов и других биологических процессах.
Таким образом, концепция комплементарности двойной спирали и процесса репликации ДНК играют ключевую роль в поддержании генетической информации и функционировании живых организмов.
Генетическая информация и её выражение
Генетическая информация, закодированная в ДНК, играет ключевую роль в синтезе биополимеров клеток.
Транскрипция и перевод
В процессе транскрипции ДНК переписывается на РНК, где последовательность оснований определяет последовательность аминокислот белка. Генетический код состоит из 64 кодонов, каждый кодон кодирует определенную аминокислоту. Некоторые кодоны являются стоп и сигнализируют о конце синтеза белка.
Взаимодействие с белками
Функции ДНК зависят от взаимодействия с белками. Белки могут специфически связываться с определенными последовательностями ДНК или присоединяться к ней неспецифически. РНК-полимеразы и другие ферменты играют ключевую роль в процессах копирования и регуляции ДНК.
Структурные и регуляторные белки
Для выполнения функций ДНК она должна быть раскручена из суперспирализованного состояния. Топоизомеразы и хеликазы помогают в этом процессе.
Нуклеазы и лигазы
ДНК-лигаза играет важную роль в рекомбинации ДНК. Рекомбинация включает обмен участками ДНК между хромосомами в результате физического разрыва и последующего соединения.
Выводы
Генетическая информация в ДНК является основой для синтеза белков, что обеспечивает жизнедеятельность клеток и организмов. Взаимодействие с белками и другими биомолекулами необходимо для правильного функционирования генетической системы. Различные ферменты и структурные белки играют важную роль в поддержании стабильности и эффективности генетической информации.
Гомологичная рекомбинация
У прокариот и эукариот гомологичная рекомбинация представляет собой наиболее широко используемый клетками способ репарации ДНК – устранения одно- и двухцепочечных повреждений, в том числе для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки (у эукариот, бактерий и архей).
У прокариот и вирусов гомологичная рекомбинация участвует в горизонтальном (межвидовом) переносе генов. Она же выступает в роли основного источника наследственной изменчивости у всех живых организмов, что определяет важную роль гомологичной рекомбинации в эволюции и онтогенетической изменчивости.
В генной инженерии может использоваться для удаления нежелательных мутаций, создания новых аллелей, вставки или слияния функциональных доменов.
Негомологичная рекомбинация
Сайт-специфическая рекомбинация
Сайт-специфическая рекомбинация осуществляется между короткими гомологичными последовательностями ДНК (сайтами) длиной примерно 10–200 пар оснований с участием специализированных ферментов – сайт-специфических рекомбиназ.
Ферменты распознают такие сайты, связываются с ними, а затем расщепляют структуру ДНК, обменивают и соединяют цепи ДНК. Сайт-специфическая рекомбинация способна вызвать значительные изменения в экспрессии генов в популяции, которая приобретает фенотипическую гетерогенность.
В процессе сайт-специфической рекомбинации реализуются различные эпигенетические механизмы, поскольку она влияет на кодирующие и регуляторные участки в геноме, например происходит нокаутирование и/или включение определённых генов.
В результате организм приобретает новые признаки или теряет уже имеющиеся, что влияет на его адаптацию к окружающей среде.
Транспозиция
Транспозиция – перемещение последовательностей ДНК из одного места генома в другое без обмена генетической информации.
В транспозиции участвуют мобильные генетические элементы (МГЭ, транспозоны), которые не имеют фиксированного положения, поэтому способны вызывать хромосомные перестройки.
Транспозоны кодируют белки, обеспечивающие процессы транспозиции (ферменты транспозазы, обратные транскриптазы и др.). Помимо вертикального переноса генов – от родителей к потомству – транспозоны участвуют в горизонтальном переносе генов.
Переносчиками МГЭ выступают вирусы и плазмиды.
Незаконная рекомбинация
Незаконная рекомбинация осуществляется между негомологичными участками ДНК. Наиболее изученный механизм незаконной рекомбинации – негомологичное соединение концов для репарации двухцепочечных разрывов ДНК.
Встречается при перестройке тяжёлой и лёгкой цепей иммуноглобулинов и встраивании ДНК в геном ретровирусов, что определяет её участие в адаптивном иммунитете.
Все виды рекомбинации характеризуются этапом синапсиса (очень точного сближения гомологичных хромосом), в течение которого молекулы ДНК связываются в месте обмена полинуклеотидной цепи. Концы молекул сначала прикрепляются к ядерной оболочке, а потом мигрируют при помощи движений цитоскелета. После объединения концевых областей хромосомы могут быть связаны белковым РНК-комплексом, называемым синаптическим (синаптонемальным) комплексом. Затем происходит разрыв хромосом в строго гомологичных точках и перевоссоединение фрагментов крест-накрест, что сопровождается кроссинговером – реципрокным обменом фрагментами гомологичных хромосом (внутрихромосомной рекомбинацией генетического материала).
В результате перекрёста молекул образуется крестообразная специфическая структура, названная структурой (соединением) Холлидея – две гомологичные спирали ДНК удерживаются вместе благодаря перекрёстному обмену цепями. Точка перекрёста может мигрировать, в результате чего дополнительно образуются или растут гетеродуплексные участки на обеих молекулах ДНК.
Перестройка в геноме может быть запрограммирована на определённых этапах клеточной дифференцировки, в этом случае удаляются вложенные элементы ДНК, содержащиеся в кодирующей цепи конкретного гена. Эти элементы, которые являются концевыми короткими повторами, могут быть дополнительно связаны с изолированной частью гена путём рекомбинации между их итерациями на определённой стадии развития клетки.
Особенности рекомбинации у вирусов
В основе рекомбинации вирусов лежит процесс множественной реактивации – процесс заражения клеток частично повреждёнными (например, ультрафиолетовым излучением) вирусами. Рекомбинация происходит между сохранившими нативность участками генетического материала нескольких проникших в клетку вирусных частиц с образованием полноценного генома. В результате образуются рекомбинанты (гибриды), обладающие свойствами обоих родственных вирусов. Рекомбинация с высокой частотой наблюдается у РНК-содержащих (ортомиксовирусов, реовирусов, онкорнавирусов) и у всех ДНК-содержащих вирусов, геном которых представлен двухцепочечной ДНК.
Особенности рекомбинации у прокариот
У бактерий рекомбинация происходит в результате конъюгации – объединения двух бактериальных клеток протоплазменным мостиком и передачи хромосомы из донорской клетки в реципиентную, после чего происходит замена отдельных участков хромосомы реципиента на соответствующие фрагменты донора; трансформации – передачи признаков молекулами ДНК, проникающими из среды сквозь клеточную стенку; трансдукции – передачи генетического материала от бактерии-донора к бактерии-реципиенту, осуществляемой бактериофагом.
Особенности рекомбинации у эукариот
У эукариот рекомбинация генетического материала обеспечивается половым размножением и транспозицией. В зависимости от количества генетического материала, участвующего в рекомбинации, различают: геномную рекомбинацию – рекомбинацию наследственного материала, содержащегося в двух генетически разных организмах, в процессе оплодотворения; межхромосомную рекомбинацию – независимое распределение негомологичных хромосом в анафазе I мейоза; внутрихромосомную рекомбинацию – рекомбинацию генов между гомологичными хромосомами во время кроссинговера; рекомбинацию путём транспозиции – перемещение последовательностей ДНК в пределах одной хромосомы или в другую хромосому.
У многоклеточных организмов встречается рекомбинация в соматических клетках во время митоза, в результате которой у гетерозиготных по каким-либо признакам особей возможно появление участков (пятен) ткани, образованных клонами клеток рекомбинантного генотипа, а сами особи становятся т. н. мозаиками.
Опубликовано 22 сентября 2023 г. в 11:07 (GMT+3). Последнее обновление 22 сентября 2023 г. в 11:07 (GMT+3).