Днк расположение в клетке: Росcийские биологи научились исследовать расположение ДНК в отдельной клетке

Как работает ДНК?

Любой организм на Земле содержит в себе молекулярную инструкцию для собственной сборки и эксплуатации — это  дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК. В ДНК закодированы самые разные черты: какой цвет глаз и волос будет у человека,  какой у розы будет аромат или каким способом бактерия будет заражать хозяина. Атлас рассказывает, как код ДНК становится свойствами организма и передается по наследству, как  «включаются» и «выключаются» гены и как упаковать длинную молекулу ДНК в крошечную клетку.

Содержание

• Как устроена ДНК?
• Как ДНК удваивается?
• Как информация ДНК превращается в свойства организма?
• Почему во всех клетках есть полная последовательность ДНК, но часть генов не работают?
• Как ДНК передается детям?
• На заметку.

Как устроена ДНК?

ДНК — это длинная и сложная молекула. Представить ее можно как двойную цепь, звенья которой — это нуклеотиды, состоящие из молекулы углевода (дезоксирибозы), остатка фосфора и азотистого основания. Нуклеотиды отличаются друг от друга по входящему в них азотистому основанию: Аденин, Тимин, Гуанин и Цитозин. Часто их обозначают просто буквами — А, Т, Г, Ц. Выстраиваясь друг за другом нуклеотиды образуют одну цепь ДНК. Порядок, в котором расположены нуклеотиды,отличается у разных организмов. ДНК-узор из А, Т, Г, Ц считывают другие молекулы и запускают формирование самых  разных свойств организма.

В двойной цепи ДНК одна из цепей расположена как бы вверх ногами по отношению к другой — это расположение называется «антипараллельным».

Цепи в паре не идентичны друг другу, а сопоставимы по определенному правилу: если в первой цепи в последовательности А, во второй на этом же месте стоит Т, если в первой Г, то во второй-Ц, и наоборот. Это правило называется принцип комплементарности. Запомните этот принцип, он чертовски важен для генов.

Между комплементарными нуклеотидами двух цепей возникают водородные  связи, выстраивается как бы «лестничная структура» между цепями. Эта лестница ДНК закручена в двойную спираль.

Но в форме двойной спирали ДНК занимает слишком много места, у человека в длину она займет примерно 2 метра. Как уместить такую громадину в крохотное ядро? ДНК для этого скручивается и наматывается самыми разными способами. Для начала происходит наматывание ДНК на белки — гистоны, словно на катушки. Затем ДНК с гистонами переживает  ещё один цикл «закручивания» в структуру, подобную плотной тугой спирали — соленоиду. Эта плотная нить в свою очередь укладывается петлями с помощью белков скаффолда, а затем складывается еще разок: в петлевые домены на белках матрикса ядра.

Когда спираль ДНК сматывается с помощью гистонов и белков скаффолда получается хроматида. Две хроматиды, несущие одинаковую последовательностью ДНК, называются сестринские хроматиды. Одна или две хроматиды (их количество зависит от того, когда клетка делилась) образуют хромосому. В клетках нашего тела содержится 23 пары хромосом (то есть всего 46 штук).

Как ДНК удваивается?

Когда клетка делится, каждая новая клетка хочет заполучить себе копию инструкции для жизни, поэтому ДНК приходится копировать.  Удваивается ДНК полуконсервативно — это значит, что  одна из цепей остается от исходной молекулы, а вторая синтезируется заново. С последовательности исходной, «материнской», ДНК  по правилу комплементарности (А-Т; Г-Ц) можно переписать вторую, дочернюю, цепь ДНК.

Допустим, последовательность материнской цепи: ААГЦТТАГ, значит  «дочерняя» будет комплементарна — ТТЦГААТЦ

А

— Т

А

—Т
Г—Ц
Ц —Г

Т

— А

Т

—А

Г—Ц

Две новые дочерние цепи строятся сразу с двух материнских цепей. Как это происходит? Для начала ДНК избавляется от гистонов. Затем фермент хеликаза расплетает двойную спираль ДНК и разрывает водородные связи между цепями. Фермент праймаза строит у каждой цепочки небольшую последовательность нуклеотидов — праймер. Праймер — это затравка для построения новой цепи ДНК. К праймерам присоединяется фермент ДНК-полимераза, который присоединяет новые нуклеотиды к строящимся цепочкам.

Когда новые цепи синтезированы, между вновь синтезированной дочерней и исходной, материнской, цепочкой ДНК возникают водородные связи, вновь образуется двойная спираль, которая снова компактно сматывается. Когда клетка поделится, получившиеся ДНК-сёстры разойдутся  по ядрам образовавшихся клеток.

ДНК — это код, поэтому для начала ее надо расшифровать и переписать на язык другой нуклеиновой кислоты — рибонуклеиновой кислоты или РНК. Этот процесс называется транскрипция. РНК очень похожа на ДНК, однако вместо нуклеотидов с дезоксирибозой, в цепочку объединяются нуклеотиды с другим сахарным остатком — рибозой ( получаются рибонуклеотиды). Кроме того, РНК обычно является одноцепочечной.

РНК словно под диктовку переписывается с последовательности  ДНК так же, как при удвоении, да-да, вы догадались, по правилу комплементарности. Но есть одно исключение: в РНК азотистое основание Тимин заменено на основание Урацил: а значит, если в кодирующей ДНК А — то в РНК считается У. Присоединяет нуклеотиды РНК-полимераза.

Когда «буквенный» состав ДНК переписан в РНК происходит ее созревание: лишние части (интроны) вырезаются, а нужные (экзоны)  сшиваются вместе. Получившаяся РНК — это инструкция к сборке белка. Читают эту инструкцию органеллы под названием рибосомы, а сам процесс называется  трансляция.

Рибосомы насаживаются на начало цепи РНК и движутся по ней в направлении к ее концу. В ходе движения рибосомы читают РНК по слогам, а вернее, по триплетам или кодонам,то есть по трем нуклеотидам-буквам: АГЦ, АЦА, ААГ и так далее. Каждый такой триплет обозначает какую-то аминокислоту, как показано в таблице. Аминокислоты — это строительные кирпичики белков.

Когда кодон прочитан, рибосома понимает, какую аминокислоту надо присоединить, например, прочитала АЦА, — значит надо присоединить треонин, и вызывает соответствующий переносчик — транспортную РНК. Итак, рибосома движется по РНК, читает кодоны друг за другом и по о очереди вызывает тРНК с аминокислотами, которые навешиваются одна на другую. Получившаяся цепочка из аминокислот —  это белок или его часть.

Почти все наши свойства определяют белки. Группу крови определяют белки на поверхности эритроцитов, белок фермент лактаза определяет вашу способность переваривать лактозу, а белок-рецептор дофамина может определять предрасположенность человека к рискованному поведению.Так послание ДНК, закодированное в А, Т, Г, Ц, через РНК, находит свое выражение в белке, который что-то делает и определяет свойства организма.

Почему во всех клетках есть полная последовательность ДНК, но часть генов не работают?

В каждой клетке нашего тела содержится полный набор генов. Но каким-то образом, разные клетки  понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами. Для наших клеток важно не столько то, какие гены находятся в ДНК, сколько то, какие именно из них активны. Будет или не будет ген работать зависит от того, сможет ли РНК-полимераза его узнать и переписать с ДНК копию РНК. Если РНК-полимераза не связывается с геном, и не переписывает его — ген молчит.

Чтобы привлечь РНК-полимеразу к гену существуют белки-активаторы: так называемые транскрипционные факторы. На гены транскрипционных факторов приходится очень много ДНК: всего в человеческом геноме закодировано около 20 000 белков, из них две тысячи — это транскрипционные факторы. То есть каждый десятый ген, по сути, сам ничего в клетке не производит, а лишь следит за тем, чтобы другие гены включились в нужное время в нужном месте.

Пример транскрипционного фактора — ген FOXP2. Если создать ГМО-мышей, которым внесли человеческую версию этого гена, то они лучше обучаются и пищат как-то иначе. Но ген вовсе не отвечает за строение голосовых связок или за особую активность нейронов. FOXP2 — это просто грамотный управляющий, транскрипционный фактор, который заставляет гены мыши работать как-то иначе.

Гены также можно  заставить «замолкнуть». Например, есть белки-репрессоры, которые связываются с геном и не дают РНК-полимеразе присоединиться  Другой способ выключить ДНК — модифицировать гистоны, то есть катушки, на которые намотана ДНК. Фермент деацетилаза гистонов заставляет ДНК наматывается на гистоны так туго, что никакие другие молекулы, ни полимеразы, ни факторы транскрипции, не могу к ней подобраться.

«Выключает» гены и метилирование ДНК. Метильная группа присоединяется к цитозину с помощью фермента ДНК-метилтрансферазы. Такое метилирование происходит, если рядом с цитозином стоит гуанин — в составе так называемого динуклеотида CpG. Участки ДНК, богатые CpG-динуклеотидами, называют CpG-островками. Гиперметилирование CpG-островков  приводит к конденсации — то есть сматыванию ДНК в плотные клубки:  гены, попавшие в клубок, не читаются.

Такие внешние влияния на работу генов называют эпигенетикой. Эпигенетические факторы не меняют саму последовательность ДНК, но меняют активность генов. В последнее время показано, что эпигенетическими факторами, способными «включать»и «выключать» работу генов, являются работа в ночные смены, употребление алкоголя, курение, диета и физическая активность, и даже то, испытывали ли ваши родители стресс.

Согласно одному из исследований, холокост повлиял на геномы минимум двух поколений евреев произошло метилирование FKBP5 — гена, связанного с реакцией на стресс. В другом исследовании было показано, что у нидерландских детей, которые в утробе мамы пережили массовый голод в конце Второй мировой войны («Голодная зима») , даже спустя 60 лет оказался понижен уровень метилирования участка гена инсулин-подобного фактора роста IGF2 (участвующего в процессах роста и развития). Дети этих детей тоже были затронуты: у них был обнаружен больший индекс массы тела.

Подбробнее про эпигенетику можно прочитать в нашем материале Эпигенетика — над ДНК.

Как ДНК передается детям?

У человека в ядре каждой клетки хранятся 23 пары хромосом, всего 46 штук. Исключение составляют половые клетки: сперматозоиды и яйцеклетки. В них содержится всего 23 одиноких хромосомы.

Число хромосом в половых клетках сокращается в результате мейоза, это особый тип деления клетки, в процессе которого из одной клетки с двумя наборами хромосом (диплоидной; 46 хромосом) образуется четыре с одинарным набором хромосом (гаплоидных; 23 хромосомы). Хромосомы, содержащие одну и ту же последовательность генов и образующие пары, могут обмениваться участками — происходит кроссинговер, своеобразное перемешивание, которое обеспечивает потомкам большее генетическое разнообразие. Когда мужская и женская половые клетки сливаются при оплодотворении — в зародыше снова оказывается двойной набор генов, однако смешанный: по одной хромосоме в паре от папы и по одной — от мамы. Например, мы рассказывали, как от мамы и папы может наследоваться интеллект и как наследуются некоторые заболевания, например, галактоземия. Сокращение набора хромосом необходимо, чтобы, когда сперматозоид и яйцеклетка встретились при оплодотворении, образовался организм с нормальным набором хромосом. Если хромосом больше или меньше, чем нужно,- возникают хромосомные болезни. Классический пример — Болезнь Дауна, при которой вместо двух хромосом под номером 21 в организме оказывается три.

На заметку.

1. Инструкция о строении нашего тела закодирована в ДНК в формате последовательностей нуклеотидов А, Т, Г , Ц.
2. Длинная молекула ДНК компактно упаковывается в ядре клетки с помощью скручивания и наматывания на белки.
3. Молекула ДНК удваивается в процессе репликации.
4. Чтобы извлечь информацию из ДНК, ее надо перевести на РНК.
5. Получившуюся РНК читают органеллы рибосомы по триплетам из трех букв.Триплет соответствует аминокислоте — звену цепи белка. Поэтому читая триплеты, РНК понимают, какую аминокислоту следующей присоединить к растущей к цепи белка.
6. Белки определяют почти все наши свойства и функции.
7. Гены можно активировать и подавлять с помощью специальных белков, транскрипционных факторов и супрессоров, с помощью изменения гистонов — катушек, на которые намотана ДНК, или с помощью метилирования ДНК.
8. На работу генов, в том числе на их активацию и подавление, могут влиять внешние факторы: стресс, ночные смены, диета и так далее (однако последовательность нуклеотидов ДНК при этом не меняется).
9. В клетках нашего тела содержится 23 пары хромосом. Но в половых клетках хромосомы содержатся не парами, а одиночно (гаплоидный набор хромосом). Такое сокращение необходимо, чтобы при оплодотворении, образовался организм с нормальным набором хромосом.

Если вам интересны особенности собственной ДНК, то в результатах Генетического теста Атлас вы можете найти целый раздел о необычных признаках, которые определяют ваши вкусы, чувствительность к определенным запахам и привычки.

• Georgina Ferry. The structure of DNA. 2019
• Alberts et al.,DNA Replication Mechanisms. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. 2002.
• Suzanne Clancy. DNA Transcription. 2008
• Schreiweis et al.Humanized Foxp2 accelerates learning by enhancing transitions from declarative to procedural performance. 2014
• Yehuda et al. Holocaust Exposure Induced Intergenerational Effects on FKBP5 Methylation. 2015
• Lumey et al. Cohort Profile: The Dutch Hunger Winter Families Study. 2007
• Karen Sermon. Preimplantation Genetic Screening.2017

Ученые объяснили, почему все клетки разные и почему человек не похож на мышь

Ученые впервые выяснили, как работают одни и те же гены в разных клетках человека и мыши. Российский участник проекта Fantom биоинформатик Всеволод Макеев рассказал «Газете.Ru» о задачах работы и о том, как она велась.

Основная загадка жизни

Прочтение последовательности букв в геноме человека еще не дает понимания того, как работает геном. Это не расшифровка генома, а, наоборот, зашифрованный текст, смысл которого мы пока не понимаем. Основная интрига заключается в том, что все клетки организма имеют одну и ту же ДНК, в которой содержится информация о кодировании определенных белков. Но клетки разных тканей разные, мышечные клетки не похожи на нервные или на клетки крови. В процессе развития каждый организм проходит путь от оплодотворенной яйцеклетки до взрослой особи и при этом все время меняется, а геном — нет. Очевидно, что работа генов неодинакова в разном месте и в разное время.

В том, как это все регулируется, — в этом и состоит основная загадка жизни.

Генетики заархивировали людей

Сделан важный шаг к пониманию работы генома и к персонализированной медицине: ученые секвенировали РНК в пяти. ..

16 сентября 11:29

В последнее десятилетие усилия ученых были направлены на то, чтобы последовательно приближаться к пониманию того, как работает геном. О большом шаге в этом направлении рассказано в двух статьях последнем выпуске журнала Nature, где опубликованы результаты исследований в рамках программы Fantom. Название этой программы расшифровывается как Functional ANnoTation Of Mammals — функциональная характеристика генома млекопитающих. Она была инициирована в 2000 году японскими учеными из Центра технологий наук о жизни RIKEN. Выполнение программы включает несколько этапов, и сейчас ученые публикуют результаты пятого этапа. В международном консорциуме участвуют более 250 ученых из 114 институтов из 20 стран, в том числе и российские специалисты из Института общей генетики РАН. Помимо двух ключевых статей в Nature результаты исследований про проекту Fantom 5 опубликованы также в 16 статьях в других научных журналах.

Принципы работы генома универсальны что для мыши, что для человека — именно эти представители млекопитающих стали основными объектами исследований. У человека и мыши примерно один и тот же набор генов, в то же время мы совсем не похожи на мышь. Все дело в том, что гены человека регулируются по-другому, чем гены мыши. Ученые убедились в этом, нанеся на карту эти регуляторы и сравнив, как они работают у одного и другого вида.

«Исследования дают нам взгляд на то, почему человек отличается от других животных, при том что мы разделяем с ними большую часть генов, — говорит Мартин Тэйлор из Института генетической и молекулярной медицины Эдинбургского университета. — Сравнение атласа человека и мыши показывает, что в процессе эволюции произошел значительный перемонтаж связей между регуляторами».

Человек тоже различен в разных тканях. Секрет того, что клетки печени не похожи на клетки крови, опять же в том, что в них работают разные гены.

А каким генам работать, каким — нет, зависит от регуляции.

Регуляторы генов

Генетика меняет человека

Важные решения без полной экспертизы принимаются и в США. Ученые подсчитали, что потребительские генетические. ..

16 января 09:55

Основные регуляторы работы генома — это так называемые промоторы и энхансеры. Промотор — это последовательность нуклеотидов, которая дает старт для транскрипции — первого этапа работы гена, когда на участке ДНК по принципу комплементарности синтезируется матричная РНК. Сигнал к этому возникает, когда промотор узнается ферментом РНК-полимеразой. Энхансер — это умножитель работы гена, последовательность нуклеотидов, которая может располагаться вовсе не рядом с геном, а где-то довольно далеко. Но, действуя через определенные белки, энхансер может в несколько раз увеличить транскрипцию того или иного гена.

Определить расположение в геноме этих регуляторов — промоторов и энхансеров — очень сложная задача, которая может быть решена только усилиями большого консорциума. Эта задача и решалась в программе Fantom. Например, ученые из Института Рослина Эдинбургского университета создали атлас регуляторов генной активности при развитии мышц и костей.

Исследователи использовали специальную технику под названием Cap Analysis of Gene Expression (CAGE), созданную в центре RIKEN. Она позволила проследить за активностью промоторов и энхансеров более чем в 180 типах клеток человека.

Ученым удалось идентифицировать в геноме 180 тыс. промоторов и 44 тыс. энхансеров.

Они нашли, что регуляция транскрипции в очень большой степени специфична для каждого типа клеток.

Российские ученые в Fantom

В консорциум проекта Fantom 5 входит команда российских биоинформатиков из Института общей генетики РАН. Об этой работе «Газете.Ru» рассказал доктор физико-математических наук Всеволод Макеев, заведующий отделом ИОГен РАН, координатор российской группы.

— Как давно вы участвуете в проекте?
— Мы присоединились к консорциуму Fantom в 2011 году, на этапе Fantom 5. Когда стало возможно получать данные для большого количества тканей, руководители проекта привлекли биоинформатиков со всего мира. Получая доступ к уникальным данным до того, как они будут опубликованы, биоинформатики, в свою очередь, предлагали методы обработки данных и идеи, которые можно проверить этими методами.

— Как организована ваша работа?
— Все данные лежат на серверах, мы их скачиваем и анализируем, и это можно делать, находясь в Москве.

Генетики почистили неандертальца

Проблема, с которой часто сталкиваются генетики при анализе ДНК древних людей и животных, — контаминация…

28 января 17:49

Мы используем для этого мощные компьютеры на факультете биоинженерии и биоинформатики МГУ и у себя в ИОГене.

— А какие конкретные задачи перед вами стояли?
— Мы исследовали активность регуляторных участков генома и белков — транскрипционных факторов, которые с этими белками взаимодействуют. Над этим работали пять групп, причем это большая часть всех исследовательских групп в мире, которые решают эти задачи. В результате удалось составить атлас активности регуляторных белков в разных клетках — это около 1500 белков. Но районы, в которых они взаимодействуют с ДНК, известны пока менее чем для половины регуляторов. Удалось также выявить роль химического изменения ДНК, так называемого метилирования, в связывании регуляторных белков с ДНК.

— Как шло развитие исследований от первого к пятому Fantom? И на каких объектах работали ученые?
— С 2000 года по крайней мере три раза менялась технология, и новые методы позволяли проводить все более широкие и точные исследования. А что касается объектов, изначально это была мышь, и буква «М» в аббревиатуре означала Mouse.

Сейчас это мышь и человек

— Чем отличается проект Fantom от проекта Encode, результаты которого не так давно были опубликованы?
— Главным образом тем, что мы анализировали не раковые линии, а нормальные клетки. С раковыми линиями проще работать, но они не всегда хорошо отражают процессы в нормальных клетках. Такой широкий анализ клеток нормальных тканей не проводился еще никогда. Благодаря этому появилась возможность понять, почему клетки тканей имеют такой клеточный тип, какой они имеют. Это важно и для регенеративной клеточной медицины — понять, как устроена дифференцировка клеток в тканях. И вообще это фундаментальный вопрос биологии.

— Есть ли уже понимание, почему клетки становятся разными и как работает геном?
— Сейчас мы более-менее понимаем, какие гены в каких клетках работают, причем это не обязательно гены, которые кодируют белки. Но более интересен вопрос, почему в какой-то ткани, допустим, включены 10 тыс. генов, а остальные не работают. Почему промоторы генов включаются и выключаются. Пока еще мы не понимаем этого настолько хорошо, чтобы мы могли этим процессом управлять, чтобы мы могли, скажем, конструировать регуляторные элементы, вставлять генно-инженерные последовательности в геном и говорить, что этот ген будет работать в таких-то тканях, а в таких-то тканях он работать не будет.

— А будет ли продолжение проекта?
— Да, сейчас опубликованы результаты первой стадии Fantom 5, а результаты второй стадии, вероятно, будут опубликованы в 2015 году. Обсуждаются и возможности дальнейшего продолжения проекта.

Осталось понять, как самолет летает

Гены лепят лицо

Генетики начали понимать, почему у разных людей разные лица, и близки к тому, чтобы найти мутации, приводящие. ..

25 октября 10:44

«Мы являемся многоклеточными организмами, состоящими по меньшей мере из 400 типов клеток. Это замечательное разнообразие типов клеток позволяет нам видеть, думать, слышать, двигаться и сопротивляться инфекциям, при этом вся эта информация закодирована в геноме, одном и том же у всех клеток. Различия между клетками состоят в том, какую именно часть генома они используют. Например, в клетках мозга используются гены, которые не используются в клетках печени, и поэтому мозг и печень работают по-разному.

В рамках проекта Fantom 5 мы впервые выяснили, какие именно гены используются в каждой из клеток человеческого тела и какие участки генома этим управляют», — сказал доктор Алистер Форрест, сотрудник центра RIKEN, научный координатор проекта Fantom 5.

Особенность проекта в том, что он направлен на изучение нормальных, здоровых клеток, так называемых первичных, не измененных генетически, не раковых. Чтобы понять, как работает геном, нужно делать это в здоровых клетках. Но в дальнейшем эти же методы позволят изучить генную активность и в патологических клетках у пациентов с самыми разными заболеваниями, чтобы понять механизм поломки на молекулярном уровне.

Профессор Дэвид Хьюм, директор Института Рослина Эдинбургского университета, используя аналогию с самолетом, сказал: «Мы сделали скачок в понимании того, как работают отдельные детали самолета. И узнали довольно много о том, как они взаимодействуют между собой, чтобы в конечном счете понять, как самолет летает».

Как клетка ремонтирует ДНК

: 17 Июн 2007 , Нефть: герои не нашего времени , том 15,
№3

Всю информацию, которую хранят и передают по наследству живые клетки, несут в себе молекулы ДНК, являющиеся своеобразными шифрованными генетическими «текстами». Клетка тщательно следит за состоянием своих сокровищ: ДНК — единственная молекула, которую при повреждении клетка «ремонтирует» или, как принято говорить, «репарирует» — молекулы всех других типов синтезируются заново.

Удивительно, что, несмотря на ключевую роль, которую играет нить ДНК в работе клеток, она является очень нежным образованием, и повредить ее ничего не стоит. Даже обычный солнечный свет представляет для ДНК серьезную угрозу. Чаще всего это происходит следующим образом: квант света — фотон, — столкнувшись с ДНК, может передать свою энергию одному из ее структурных элементов — азотистому основанию, — который при этом переходит в возбужденное состояние. Дальше все зависит от того, с каким конкретно основанием это произошло. Если это аденин или гуанин, то энергия возбуждения быстро переходит в тепловую — и структура ДНК не меняется. Если же порцию дополнительной энергии получили тимин или цитозин, то последствия могут быть весьма серьезными.

К примеру, из двух расположенных рядом на одной цепи тиминов может возникнуть новая структура — тиминовый димер — молекула, в которой четыре расположенных по углам квадрата атома углерода соединены химическими ковалентными связями. Если представить, что ДНК — это застежка-молния, то димер в таком случае похож на два соседних зубца, которые сошлись вместе и не позволяют застежке работать: с такой поврежденной цепи ДНК уже нельзя снять копию-слепок, которая может быть «инструкцией» по изготовлению нужного белка.

Довольно жестким ударом для любого организма является радиационное облучение, в несколько раз превышающее фоновый уровень радиации, необходимый для существования всех живых существ. Действие ионизирующей радиации вызывает различные повреждения ДНК, включая разрывы обеих цепей, что наиболее опасно для клетки, поскольку репарация таких повреждений особенно сложна. Этот принцип, собственно, положен в основу радиотерапии, когда с помощью ионизирующей радиации уничтожаются раковые клетки; сходным действием обладают и некоторые лекарственные препараты, также используемые при лечении рака. Следует заметить, что даже единственный неисправленный разрыв обеих цепей ДНК может вызвать гибель клетки.

Повреждения ДНК могут быть вызваны и некоторыми антропогенными загрязнениями окружающей среды, такими как продукты сгорания бензина, табачный дым. .. Однако самые многочисленные, но в то же время и наиболее легко исправляемые повреждения, вызваны агентами, которые возникают в процессе нормальной жизнедеятельности самой клетки: при дыхании, окислении липидов (жиров), а также при воспалительных реакциях. Сейчас известно всего более ста типов подобных окислительных повреждений ДНК.

Ясно, что со столь разнообразными повреждениями справиться непросто. В процессе эволюции возникло несколько изощренных, частично перекрывающихся систем, которые способны исправить большинство (хотя и не все) изменений в генетических «текстах» клеток. Эти системы, как правило, представляют собой ансамбли, состоящие из нескольких десятков разных белков, и специализируются они на проведении определенного типа «ремонта» — репарации ДНК.

Распределение функций между этими белковыми «машинами» выглядит следующим образом. Эксцизионная репарация нуклеотидов (от англ. excision — выщепление) обеспечивает удаление большого класса разнообразных объемных повреждений, которые искажают структуру двойной спирали ДНК и, как правило, препятствуют синтезу копий ДНК, т. е. получению копий-инструкций для последующего синтеза белков.

Эксцизионная репарация оснований специализируется на «мелком» ремонте небольших повреждений оснований ДНК, не сопровождающихся значительным искажением двойной спирали. Эти повреждения могут не препятствовать процессу копирования информации с ДНК, однако приводят к ошибкам в самих генетических «текстах». Существует еще два белковых ансамбля, участвующих в процессах, называемых «гомологичная рекомбинация» и «негомологичное воссоединение концов» — они заняты крупным ремонтом: соединяют цепи ДНК, в которых разорваны обе ниточки, хотя и пользуются для этого разными механизмами.

Заплатки короткие и длинные

Рассмотрим подробнее, как же работают некоторые репарационные машины. Нужно отметить, что, несмотря на большие различия в «исполнителях» и типе ремонта поврежденной ДНК, все репарационные процессы, идущие в клетке, имеют несколько общих черт.

Во-первых, нужно найти повреждение, «расчистить» поврежденный участок ДНК (это может быть маленький кусочек, размером в один нуклеотид, или более протяженный участок из нескольких десятков нуклеотидов), затем залатать повреждение и провести окончательную «отделку», чтобы не осталось даже следов от сделанной «заплатки». Еще одна общая черта: при «ремонте» испорченные детали не исправляются, а заменяются новыми. В репарации используются те же самые заготовки, из которых собирается нить ДНК в процессе ее удвоения. Тем не менее, детали работы этих машин резко различаются.

В эксцизионной репарации оснований репарация ДНК осуществляется как бы конвейером, состоящим из отдельных белков. Поврежденная ДНК поступает в начало конвейера и в конце выходит полностью исправленной, т. е. передается от одного белка к другому, словно «эстафетная палочка». Конечно же, движется не сама ДНК — скорее каждый белок оказывается рядом и начинает работать, как только предыдущий участник процесса выполнит свою задачу.

В самом начале конвейера находится несколько ферментов, ДНК-гликозилаз, которые находят поврежденное основание и удаляют его*. Некоторые из них находят и удаляют несколько различных типов поврежденных оснований, т. е. умеют «скусывать» с ниточки ДНК по-разному поврежденные «бусины», не разрезая самой ниточки. Другие же «замечают» только какой-то определенный тип повреждения.

Затем фермент апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза (АРЕ1) делает разрез в ниточке так, чтобы другой фермент, ДНК-полимераза бета, мог присоединить новую неповрежденную «бусинку» вместе с кусочком ниточки, да еще и «подравнять» ее, удалив кусочек, оставшийся от испорченной бусинки (т. е. рибозофосфатный остаток с противоположной стороны разрыва ДНК). Поскольку вторая цепочка ожерелья цела, то ДНК-полимераза, соответственно, выбирает из запаса не первую попавшуюся заготовку, а строго соответствующую (т. е. комплементарную) бусинке, находящейся напротив повреждения в цепи ДНК. ДНК-лигаза сращивает концы ниточки и теперь уже невозможно догадаться, что это ожерелье было починено.

Описанный механизм — самый простой путь эксцизионной репарации оснований, называемый «короткозаплаточным», поскольку в итоге происходит замена только одной «бусинки». Именно так системой ЭРО в основном исправляются повреждения. В этом процессе также участвуют вспомогательные белки, сами не выполняющие отдельные операции, но помогающие другим белкам сделать дело наилучшим образом. К числу таких помощников относится, например, белок c загадочным названием XRCC1, обеспечивающий устойчивость к рентгеновскому излучению: клетки, лишенные этого белка, более чувствительны к дей­ствию ионизирующей радиации, и репарация ДНК в них происходит хуже.

Как можно заметить, ЭРО — довольно экономный и хорошо отлаженный способ починки. Но не всегда дело идет так «штатно». Если оставшийся от поврежденной «бусинки» «кусочек ниточки», который должна удалить ДНК-полимераза бета, тоже был поврежден, то его удаления не происходит, и клетка переключается на другой путь репарации.

При этом клетка может использовать помощь других белковых машин, например тех ДНК-полимераз, которые обычно занимаются не починкой, а сборкой новых нитей ДНК. Такие ДНК-полимеразы вместе с белком-помощником (PCNA) работают быстрее и меньше ошибаются, выбирая тип заготовки-бусинки. Старая цепочка вытесняется из ожерелья и образует свисающий «хвост». Тут-то и требуется участие еще одного белка, который удалит «хвост». Этот фермент — флэпэндонуклеаза (FEN1) — также из машины репликации и лучше выполняет свою работу, взаимодействуя с PCNA.

Данный механизм, открытый немного позднее, был назван «длиннозаплаточным путем», поскольку замещается кусочек ДНК, состоящий не из одного, а из нескольких нуклеотидов. В этом случае для зашивания конечного разрыва используется еще один «репликативный» фермент — ДНК-лигаза. Сходным образом ремонтируется ДНК, в которой возникли разрывы вследствие воздействия ионизирующей радиации. В процессе, как правило, требуется участие еще одного фермента, полинуклеотидкиназы, роль которой заключается в создании определенной структуры концов «ниточки», удобной для работы ферментов ДНК-полимераз и ДНК-лигаз.

Плохо — когда очень мало или очень много

При эксцизионной репарации нуклеотидов (ЭРН) рядом с опознанным повреждением ДНК собирается ансамбль белков, который осуществляет «раскрытие» структуры ДНК вблизи повреждения, а затем его последующее удаление. Повреждение удаляется вместе с куском нормальной ДНК.

Считается, что за опознавание повреждения ответ­ственность несет белок, который обозначается буквами XPC-HR23B. (Характерно, что многие из белков этого ансамбля имеют обозначения, начинающиеся буквами XP. Происхождение этих обозначений связано с пигментной ксеродермой (xeroderma pigmentosum), которая проявляется в повышенной чувствительности к действию солнечного света, что связано с отсутствием одного из белков ЭРН.)

Белки этой репарационной машины занимают свои места в определенном порядке, и «посадка» каждого белка облегчает следующему участнику процесса выполнение задачи. Работа, заключающаяся в вырезании кусочка ДНК длиной около 30 нуклеотидных остатков, идет слаженно. Геликазы со своими помощниками разводят цепи ДНК, репликативный белок А (RPA) покрывает и удерживает неповрежденную нить. Нуклеазы со своими помощниками делают два надреза нити по обеим сторонам от повреждения. Разрезы проводятся так, чтобы образовавшиеся кончики нити в дальнейшем были удобны для восстановления поврежденного участ­ка машиной репликации. Вырезанный кусочек можно удалить — и тогда дело сделано наполовину, а именно: проведены подготовительные работы для восстановления утраченного куска.

Вот теперь можно использовать помощь белков ансамбля репликации: ДНК-полимеразы со своими белками-«ассистентами» по одному звену наращивают недостающий кусочек ДНК на основе информации неповрежденной нити ДНК, а ДНК-лигаза ликвидирует разрыв нити. Дело сделано, но и на этом пути репарации не все однозначно.

Существует два вида ансамблей белков, несколько различающихся по составу и специализации. Одни занимаются тем, что постоянно отслеживают состояние всех нитей ДНК и ремонтируют их по мере необходимости. Другой же ансамбль представляет собой «команду быстрого реагирования». Она вступает в игру тогда, когда фермент РНК-полимераза (также вместе с белками-помощниками: разве что-нибудь стоящее можно сделать в одиночку?) начинает собирать на нити ДНК другую нуклеиновую кислоту — так называемую матричную РНК, — которая и является инструкцией для синтеза конкретного белка**. Если в ДНК есть громоздкое повреждение, которое мешает РНК-полимеразе правильно прочитать информацию и записать ее в инструкцию, процесс останавливается: тут-то и приглашается «команда быстрого реагирования», чтобы исправить повреждение примерно тем способом, который описан выше.

Работы еще двух систем, специализирующихся на репарации двуцепочных разрывов в ДНК, мы не будем касаться — это тема другого разговора.

Для правильной и своевременной репарации ДНК важно не только наличие в клетке всех белков, участвующих в этих процессах, но и их количество: опасны как недостаток (или отсутствие) белков, так и их избыток. Чем же грозят человеку дефекты в системах репарации ДНК? Подобные заболевания протекают, как правило, тяжело (самое известное из них — вышеупомянутая пигментная ксеродерма), но встречаются они достаточно редко.

Заболевания человека, однозначно связанные с функциональной неактивностью какого-либо из белков системы ЭРО, на сегодня вообще не известны. Это может быть обусловлено высокой значимостью описанного пути репарации, выражающейся в нежизне­способности организмов с подобными дефектами.

В то же время для многих патологических состояний характерны изменения в количестве белков, причем как в большую, так и в меньшую сторону. Так, для некоторых типов раковых клеток характерны увеличенные количества ДНК-полимеразы бета и АРЕ1. Казалось бы, что плохого, если в клетке много ферментов репарации? Однако резкое изменение активности (количества), например ДНК-полимеразы бета, может приводить к тому, что она начинает «совать нос не в свое дело», замещая более точно функционирующие ДНК-полимеразы, а это приводит к нестабильности генетической информации.

Пришиваем этикетку к белку

Для исследования комплексов белков, относящихся к системам репликации и репарации ДНК, а также для поиска новых участников этих процессов ученые используют метод так называемой фотоаффинной модификации белков, разработанный в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. «Аффинная» означает «основанная на сродстве». Имеется в виду способность ДНК образовывать специфические комплексы с белками, участвующими в определенных реакциях.

Ученым удалось сконструировать и синтезировать аналоги дезоксинуклеозидтрифосфатов (заготовок, используемых ДНК-полимеразами при синтезе ДНК), обладающие следующими замечательными свойствами: они несут дополнительные химические группы, которые при облучении ультрафиолетовым светом активируются и могут присоединяться к белкам с образованием стабильной связи. Фотоактивные группы введены в основание таким образом, чтобы не мешать работе ДНК-полимераз, которые могут встраивать эти фотоактивные «бусины» в состав ДНК.

Теперь, если мы облучим УФ-светом смесь, содержащую фотоактивную ДНК и белки, те из белков, которые находятся в специфическом комплексе с ДНК, будут присоединены к ней прочной связью. Так белок приобретает «этикетку» в виде кусочка ДНК.

В результате исследователи убивают сразу двух зайцев. Во-первых, поскольку в состав ДНК входят атомы фосфора, мы можем ввести в ее состав радиоактивную метку (обычно это изотоп фосфора ³²Р), что дает возможность легко следить за этой меткой при последующем анализе. Радиоизотопные метки регистрируются с высокой чувствительностью, что позволяет работать с очень маленькими количествами белков. Во-вторых, присутствие этикетки на белке свидетель­ствует о том, что этот белок способен взаимодействовать с определенными структурными образованиями ДНК, характерными для того или иного этапа процесса репарации.

Используя этот метод, ученые ИХБФМ установили, что, к примеру, из тысяч белков, содержащихся в экст­рак­те из клеток мыши, только шесть оказались радио­активно меченными фотоактивными ДНК, по структуре схожими с участками ДНК, которые «ремонтируются» системой ЭРО. Среди них наши «старые знакомые» — ДНК-полимераза бета, флэпэндонуклеаза, апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза, — об участии которых в этом пути репарации хорошо известно.

Помочь в идентификации белка, помеченного с помощью метода аффинной модификации, могут современные чувствительные технологии. В качестве ДНК-«этикетки» можно использовать специфические ДНК, содержащие АР-сайт, т. е. «дырку» на месте одного азотистого основания, возникающие как промежуточные соединения при эксцизионной репарации. Сахар дезоксирибоза в составе АР-сайта может образовывать с определенными ами­нокислотами белка химические связи, которые становятся стабильными при вос­становлении боргидридом.


Для отделения подобного комплекса используется очень изящный и остроумный прием. Предварительно в состав ДНК вводят биотин (витамин Н или B7), способный очень прочно связываться с белком куриного яйца авидином или бактериальным белком стрептавидином. Если закрепить тот же стрептавидин на какой-нибудь поверхности, а затем нанести на нее раствор с биотинилированной ДНК, то последняя будет удерживаться, не смываясь водными растворами. Так можно «заякорить» и ДНК с при­шитым белком. Стрептавидин закрепляют на мелких парамагнитных шариках, при отмывке удерживамых с помощью магнита.


Оставшийся на шариках продукт снимают и отделяют от примесей электрофорезом в полиакриламидном геле. Кусочек геля, содержащий белок с пришитой ДНК, вырезают и прямо в геле «нарезают» на кусочки-пептиды ферментами, например трипсином, строго в определенных местах.


Массы образовавшихся пептидов определяют очень чувствительным методом масс-спект­рометрии MALDI-TOF-MS. В результате анализа определяется «пептидная карта» белка. Затем с помощью программного обеспечения (Mascot или Profound) производится идентификация белка, для чего в анализируемом образце массы пептидов сравниваются с теоретически рассчитанными массами для всех белков, занесенных в базу данных. Обработав огромный массив данных, программа выбирает наиболее вероятных кандидатов. Несмотря на то что пептиды с одинаковыми массами могут встречать­ся в разных белках, сочетание пептидов определенной массы в образце позволяет надежно установить природу анализируемого белка

Природу еще одного белка удалось установить с использованием других методов, в том числе специфиче­ских антител. Этим белком оказался фермент поли (АДР-рибозо) полимераза 1 (PARP1). Он обнаруживает разрывы в нити ДНК, образуя димеры (пары), и в ответ синтезирует разветвленный отрицательно заряженный полимер (поли(АДР)рибозу), прочно присоединенную к некоторым ядерным белкам. Самое поразительное, что одна молекула PARP1 синтезирует этот полимер на втором участнике пары. Так возникает внутриклеточный сигнал: «Внимание! Здесь в ДНК появился разрыв. Требуется помощь».

Как следствие, в клетке «запускается» каскад событий, который, в конечном счете, приводит к исправлению повреждения. Если же повреждений очень много, то происходит «гиперактивация», т. е. наработка большого количества «сигнала». Это истощает энергетиче­ские запасы клетки, и в ней формируется другой «сигнал»: возможности ремонта ДНК исчерпаны — клетка подлежит уничтожению. В ответ на этот сигнал в клетке вступают в действие программы ее самоуничтожения, поскольку клетки с нарушениями ДНК могут становиться родоначальниками опухолевых.

Еще два из меченых белков пока сохраняют свое «инкогнито», но работа по установлению их «личности» продолжается. Сегодня ученые научились точно и быстро устанавливать последовательность и в принципе «прочитали» все генетические «тексты», записанные в ДНК человека, однако функции далеко еще не всех белков, которые клетки могут синтезировать, установлены— это огромное поле деятельности для современных и будущих исследователей.

*См. в: НАУКА из первых рук. — 2006. — № 6 (12). — С. 24—35.

**См. в: НАУКА из первых рук. — 2006. — № 6 (12). — С. 46—53.

: 17 Июн 2007 , Нефть: герои не нашего времени , том 15,
№3

ячейка | Определение, типы, функции, схема, деление, теория и факты

животная клетка

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Торбьорн Оскар Касперссон
Даниэль Мазия
Фред Х. Гейдж
Линн Маргулис
Ральф М. Штейнман

Похожие темы:

стволовая клетка
салфетка
жировая клетка
восстановление ДНК
мембрана

Просмотреть весь связанный контент →

Популярные вопросы

Что такое клетка?

Клетка представляет собой массу цитоплазмы, которая снаружи связана клеточной мембраной. Обычно микроскопические по размеру клетки являются мельчайшими структурными единицами живой материи и составляют все живое. Большинство клеток имеют одно или несколько ядер и других органелл, выполняющих различные задачи. Некоторые отдельные клетки представляют собой полноценные организмы, например бактерии или дрожжи. Другие являются специализированными строительными блоками многоклеточных организмов, таких как растения и животные.

Что такое клеточная теория?

Клеточная теория утверждает, что клетка является фундаментальной структурной и функциональной единицей живой материи. В 1839 году немецкий физиолог Теодор Шванн и немецкий ботаник Маттиас Шлейден провозгласили, что клетки являются «элементарными частицами организмов» как растений, так и животных, и признали, что одни организмы одноклеточные, а другие многоклеточные. Эта теория ознаменовала большой концептуальный прорыв в биологии и привела к возобновлению внимания к жизненным процессам, происходящим в клетках.

Что делают клеточные мембраны?

Клеточная мембрана окружает каждую живую клетку и отделяет клетку от окружающей среды. Он служит барьером для удержания содержимого клетки внутри и проникновения нежелательных веществ. Он также функционирует как ворота для активного и пассивного перемещения основных питательных веществ в клетку и выхода из нее отходов. Определенные белки в клеточной мембране участвуют в межклеточных коммуникациях и помогают клетке реагировать на изменения в окружающей среде.

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

клетка , в биологии основная связанная с мембраной единица, содержащая основные молекулы жизни и из которой состоят все живые существа. Отдельная клетка часто сама по себе является целым организмом, таким как бактерия или дрожжи. Другие клетки приобретают специализированные функции по мере своего созревания. Эти клетки взаимодействуют с другими специализированными клетками и становятся строительными блоками больших многоклеточных организмов, таких как люди и другие животные. Хотя клетки намного больше атомов, они все же очень малы. Самые маленькие известные клетки представляют собой группу крошечных бактерий, называемых микоплазмами; некоторые из этих одноклеточных организмов представляют собой сферы размером всего 0,2 мкм в диаметре (1 мкм = примерно 0,000039дюймов) с общей массой 10 ^-14 граммов, что равно массе 8 000 000 000 атомов водорода. Клетки человека обычно имеют массу в 400 000 раз больше, чем масса одной микоплазменной бактерии, но даже человеческие клетки имеют диаметр всего около 20 мкм. Чтобы покрыть головку булавки, потребуется лист из примерно 10 000 человеческих клеток, а каждый человеческий организм состоит из более чем 30 000 000 000 000 клеток.

сходства и различия клеток

Посмотреть все видео к этой статье

В этой статье клетка обсуждается как отдельная единица, так и составляющая часть более крупного организма. Как индивидуальная единица, клетка способна усваивать свои собственные питательные вещества, синтезировать многие типы молекул, обеспечивать свою собственную энергию и воспроизводить себя, чтобы производить последующие поколения. Его можно рассматривать как закрытый сосуд, внутри которого одновременно протекают бесчисленные химические реакции. Эти реакции находятся под очень точным контролем, так что они способствуют жизни и размножению клетки. В многоклеточном организме клетки становятся специализированными для выполнения различных функций в процессе дифференцировки. Для этого каждая клетка поддерживает постоянную связь со своими соседями. Получая питательные вещества из окружающей среды и выбрасывая в нее отходы, она прикрепляется к другим клеткам и сотрудничает с ними. Кооперативные сборки подобных клеток образуют ткани, а кооперация между тканями, в свою очередь, образует органы, выполняющие функции, необходимые для поддержания жизни организма.

Рассмотрим, как одноклеточный организм содержит необходимые структуры для питания, роста и размножения

Просмотреть все видео к этой статье

Особое внимание в этой статье уделяется животным клеткам с некоторым обсуждением процессов синтеза энергии и внеклеточных компоненты, присущие растениям. (Для подробного обсуждения биохимии растительных клеток см. см. фотосинтез. Для полного рассмотрения генетических событий в клеточном ядре см. см. наследственность.)

Брюс М. Альбертс

Природа и функции клеток

Клетка окружена плазматической мембраной, которая образует селективный барьер, который позволяет питательным веществам проникать и выходить отходам. Внутренняя часть клетки организована в виде множества специализированных отделений или органелл, каждое из которых окружено отдельной мембраной. Одна главная органелла, ядро, содержит генетическую информацию, необходимую для роста и размножения клеток. Каждая клетка содержит только одно ядро, тогда как другие типы органелл присутствуют во множественных экземплярах в клеточном содержимом или цитоплазме. Органеллы включают митохондрии, которые отвечают за энергетические обмены, необходимые для выживания клеток; лизосомы, которые переваривают нежелательные вещества внутри клетки; и эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, которые играют важную роль во внутренней организации клетки, синтезируя выбранные молекулы, а затем обрабатывая, сортируя и направляя их в нужное место. Кроме того, растительные клетки содержат хлоропласты, отвечающие за фотосинтез, при котором энергия солнечного света используется для преобразования молекул углекислого газа (CO ₂ ) и воду (H ₂ O) в углеводы. Между всеми этими органеллами находится пространство в цитоплазме, называемое цитозолем. Цитозоль содержит организованный каркас волокнистых молекул, составляющих цитоскелет, который придает клетке форму, позволяет органеллам двигаться внутри клетки и обеспечивает механизм, с помощью которого может двигаться сама клетка. Цитозоль также содержит более 10 000 различных видов молекул, которые участвуют в клеточном биосинтезе — процессе образования больших биологических молекул из малых.

Britannica Quiz

Biology Bonanza

Что означает слово «миграция»? Сколько пар ног у креветки? От ядовитых рыб до биоразнообразия — узнайте больше об изучении живых существ в этой викторине.

Специализированные органеллы характерны для клеток организмов, известных как эукариоты. Напротив, клетки организмов, известных как прокариоты, не содержат органелл и обычно меньше эукариотических клеток. Однако все клетки имеют сильное сходство в биохимических функциях.

Молекулы клеток

Узнайте, как клеточные мембраны регулируют потребление пищи и отходы и как клеточные стенки обеспечивают защиту

Посмотреть все видео к этой статье

Клетки содержат особый набор молекул, окруженных мембраной. Эти молекулы дают клеткам возможность расти и размножаться. Общий процесс клеточного размножения происходит в два этапа: рост клеток и деление клеток. Во время роста клетка поглощает определенные молекулы из своего окружения, избирательно перенося их через свою клеточную мембрану. Оказавшись внутри клетки, эти молекулы подвергаются действию узкоспециализированных, больших, искусно свернутых молекул, называемых ферментами. Ферменты действуют как катализаторы, связываясь с проглоченными молекулами и регулируя скорость их химического изменения. Эти химические изменения делают молекулы более полезными для клетки. В отличие от проглоченных молекул, катализаторы сами по себе не изменяются химически во время реакции, что позволяет одному катализатору регулировать конкретную химическую реакцию во многих молекулах.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться сейчас

Биологические катализаторы создают цепочки реакций. Другими словами, молекула, химически преобразованная одним катализатором, служит исходным материалом или субстратом для второго катализатора и так далее. Таким образом, катализаторы используют маленькие молекулы, попавшие в клетку из внешней среды, для создания все более сложных продуктов реакции. Эти продукты используются для роста клеток и репликации генетического материала. Как только генетический материал скопирован и имеется достаточное количество молекул для поддержки клеточного деления, клетка делится, образуя две дочерние клетки. Через множество таких циклов клеточного роста и деления каждая родительская клетка может дать начало миллионам дочерних клеток, превращая в процессе большое количество неживой материи в биологически активные молекулы.

ДНК против РНК – 5 основных различий и сравнение

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) являются, возможно, наиболее важными молекулами в клеточной биологии, ответственными за хранение и чтение генетической информации, лежащей в основе всей жизни. Оба они представляют собой линейные полимеры, состоящие из сахаров, фосфатов и оснований, но есть некоторые ключевые различия, которые разделяют два ¹ . Эти различия позволяют двум молекулам работать вместе и выполнять свои основные роли. Здесь мы рассмотрим 5 ключевых различий между ДНК и РНК. Прежде чем мы углубимся в различия, мы взглянем на эти две нуклеиновые кислоты бок о бок.

Сравнение структуры спирали и основания РНК и ДНК

Чем ДНК отличается от РНК?

Есть несколько отличий, которые отличают ДНК от РНК. К ним относятся функции двух молекул, их структура, их средняя длина, содержащиеся в них молекулы сахара (ДНК содержит дезоксирибозу, а РНК содержит рибозу) и основных молекул (РНК содержит урацил, а не тимин), их расположение и их реакцию на ферменты и ультрафиолетовый свет. .

DNA vs. RNA – A comparison chart

Comparison	DNA	RNA
Full Name	Deoxyribonucleic Acid	Ribonucleic Acid
Функция	ДНК воспроизводит и хранит генетическую информацию. Это план всей генетической информации, содержащейся в организме.	РНК преобразует генетическую информацию, содержащуюся в ДНК, в формат, используемый для создания белков, а затем перемещает ее на рибосомные белковые фабрики.
Структура	ДНК состоит из двух нитей, образующих двойную спираль. Эти нити состоят из субъединиц, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит фосфат, 5-углеродную молекулу сахара и азотистое основание.	РНК состоит только из одной цепи, но, как и ДНК, состоит из нуклеотидов. Цепи РНК короче цепей ДНК. РНК иногда образует вторичную структуру двойной спирали, но только периодически.
Длина	ДНК представляет собой более длинный полимер, чем РНК. Хромосома, например, представляет собой единую длинную молекулу ДНК, длина которой в распутанном состоянии составляет несколько сантиметров.	Молекулы РНК имеют разную длину, но намного короче длинных полимеров ДНК. Длина большой молекулы РНК может составлять всего несколько тысяч пар оснований.
Сахар	Сахаром в ДНК является дезоксирибоза, которая содержит на одну гидроксильную группу меньше, чем рибоза РНК.	РНК содержит молекулы сахара рибозы без гидроксильных модификаций дезоксирибозы.
Основания	Основаниями в ДНК являются аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц).	РНК имеет общий аденин («А»), гуанин («G») и цитозин («С») с ДНК, но содержит урацил («U»), а не тимин.
Пары оснований	Аденин и тиминовые пары (A-T) 9009 44999 44.-GINININE (C-G)	444.9004 44949 400644. )
Местоположение	ДНК находится в ядре, небольшое количество ДНК также присутствует в митохондриях.	РНК образуется в ядрышке, а затем перемещается в специализированные области цитоплазмы в зависимости от типа образовавшейся РНК.
Реакционная способность	Из-за своего дезоксирибозного сахара, который содержит на одну кислородсодержащую гидроксильную группу меньше, ДНК является более стабильной молекулой, чем РНК, что полезно для молекулы, задачей которой является сохранение генетической информации. Безопасно.	РНК, содержащая рибозный сахар, более реакционноспособна, чем ДНК, и не стабильна в щелочных условиях. Более крупные спиральные бороздки РНК означают, что она легче подвергается атаке ферментов.
Чувствительность к ультрафиолету (УФ)	ДНК уязвима для повреждения ультрафиолетовым светом.	РНК более устойчива к повреждению УФ-светом, чем ДНК.

Каковы основные различия между ДНК и РНК?

Мы можем выделить пять ключевых категорий, в которых различаются ДНК и РНК:

• Функция
• Сахар
• Основания
• Структура
• Местоположение

Функция, вся генетическая информация кодируется ДНК

5 9 жизнь создается. И это только в краткосрочной перспективе. В долгосрочной перспективе ДНК — это запоминающее устройство, биологическая флэш-память, которая позволяет передавать план жизни между поколениями ² . РНК действует как считыватель, который декодирует эту флешку. Этот процесс чтения является многоэтапным, и для каждого из этих этапов существуют специальные РНК. Ниже мы более подробно рассмотрим три наиболее важных типа РНК.

Какие существуют три типа РНК?

• Информационная РНК ( мРНК ) копирует части генетического кода, процесс, называемый транскрипцией, и транспортирует эти копии на рибосомы, которые являются клеточными фабриками, которые облегчают производство белков из этого кода.
• Транспортная РНК ( тРНК ) отвечает за доставку аминокислот, основных строительных блоков белков, на эти белковые фабрики в ответ на закодированные инструкции, введенные мРНК. Этот процесс построения белка называется трансляцией.
• Наконец, рибосомная РНК ( рРНК ) является компонентом самой рибосомной фабрики, без которой производство белка не происходило бы ¹ .

Сахар

И ДНК, и РНК состоят из сахарного остова, но в то время как сахар в ДНК называется дезоксирибозой (слева на изображении), сахар в РНК называется просто рибозой (справа на изображении). Префикс «дезокси» означает, что в то время как РНК имеет две гидроксильные (-ОН) группы, присоединенные к ее углеродному остову, ДНК имеет только одну, а вместо нее присоединен одинокий атом водорода. Дополнительная гидроксильная группа РНК оказывается полезной в процессе преобразования генетического кода в мРНК, которые могут быть превращены в белки, в то время как сахар дезоксирибозы придает ДНК большую стабильность ³ .

Химическая структура сахаров дезоксирибозы (слева) и рибозы (справа)

Основания

Азотистые основания в ДНК являются основными единицами генетического кода, и их правильный порядок и спаривание необходимы для биологической функции . Четыре основания, из которых состоит этот код, — это аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Основания объединяются в пары в виде двойной спирали, эти пары представляют собой А и Т, а также С и G. РНК не содержит тиминовых оснований, заменяя их урациловыми основаниями (U), которые соединяются с аденином 9.0047 1 .

Структура

В то время как повсеместное распространение двойной спирали ДНК Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона (или Розалинды Франклин?) означает, что двухцепочечная структура структуры ДНК общеизвестна, одноцепочечный формат РНК известен не так хорошо. РНК может образовывать двухцепочечные структуры, например, во время трансляции, когда молекулы мРНК и тРНК спариваются. Полимеры ДНК также намного длиннее полимеров РНК; Геном человека длиной 2,3 м состоит из 46 хромосом, каждая из которых представляет собой одну длинную молекулу ДНК. Молекулы РНК, для сравнения, намного короче ³ .

Местоположение 

Эукариотические клетки, включая все клетки животных и растений, содержат большую часть своей ДНК в ядре, где она существует в плотно сжатой форме, называемой хромосомой ⁴ . Этот сжатый формат означает, что ДНК можно легко хранить и переносить. В дополнение к ядерной ДНК некоторое количество ДНК присутствует в производящих энергию митохондриях, небольших органеллах, свободно плавающих в цитоплазме, области клетки вне ядра.

Три типа РНК находятся в разных местах. мРНК создается в ядре, при этом каждый фрагмент мРНК копируется с соответствующей части ДНК, прежде чем покинуть ядро ​​и попасть в цитоплазму. Затем фрагменты перемещаются по клетке по мере необходимости, перемещаясь с помощью внутренней транспортной системы клетки, цитоскелета. тРНК, как и мРНК, представляет собой свободно перемещающуюся молекулу, которая перемещается по цитоплазме. Если он получает правильный сигнал от рибосомы, он затем выслеживает аминокислотные субъединицы в цитоплазме и доставляет их на рибосому для встраивания в белки ⁵ . рРНК, как упоминалось ранее, находится в составе рибосом. Рибосомы образуются в области ядра, называемой ядрышком, а затем экспортируются в цитоплазму, где некоторые рибосомы свободно плавают. Другие цитоплазматические рибосомы связаны с эндоплазматическим ретикулумом, мембранной структурой, которая помогает обрабатывать белки и экспортировать их из клетки ⁵ .

Необычные типы ДНК и РНК

Структура, которую мы описали в этой статье, безусловно, является наиболее распространенной формой ДНК, но это еще не все. Существуют и другие формы как ДНК, так и РНК, которые разрушают классические структуры этих нуклеиновых кислот.

Z-ДНК

Хотя структура ДНК, которую вы увидите выше и в любом учебнике по биологии, который вы можете открыть, имеет правостороннюю спираль, молекулы ДНК с левосторонней спиралью также существуют. Они известны как Z-ДНК. Каноническая, «классическая» ДНК называется В-ДНК.

Молекулы Z-ДНК:

• Тоньше (ширина 18А по сравнению с B-ДНК шириной 20А)
• Имеют другую повторяющуюся единицу (две пары оснований вместо одной)
• Имеют разные углы закручивания между основаниями

Считается, что Z-ДНК играет роль в регуляции экспрессии генов и может продуцироваться ферментами процессинга ДНК, такими как ДНК-полимераза.

А-ДНК

А-ДНК, идентифицированная одновременно с В-ДНК Розалинд Франклин, представляет собой альтернативную структуру ДНК, которая часто появляется, когда молекула обезвожена. Многие кристаллические структуры ДНК имеют форму А-ДНК. Она имеет более короткую структуру с другим количеством пар оснований на оборот и наклон, чем В-ДНК. Биологическая значимость A-ДНК значительно расширилась за последние годы, и в настоящее время признано, что A-ДНК участвует во многих ролях, таких как:

• Связывание с ДНК-ферментами, такими как полимеразы – этот переход может привести к открытию определенных атомов для ферментативного действия.
• Защита от повреждений – А-ДНК гораздо менее восприимчива к повреждению ультрафиолетовыми лучами, и было показано, что спорообразующие бактерии принимают конформацию А-ДНК, что может быть защитным изменением.

Триплекс ДНК

Структура ДНК с тройной спиралью может образоваться, когда определенные азотистые основания – пиримидиновые или пуриновые – занимают основные бороздки в обычной В-ДНК. Это может произойти естественным путем или в рамках преднамеренной стратегии модификации ДНК в исследовательских целях.

Олигонуклеотиды, образующие триплекс (TFO), могут связываться с обычной двухцепочечной ДНК, что помогает направлять агенты, используемые для модификации ДНК, в определенные геномные местоположения. H-ДНК представляет собой эндогенную трехцепочечную молекулу ДНК, которая способствует мутации генома.

дцРНК

Двухцепочечная РНК (дцРНК) чаще всего встречается в качестве геномной основы многих вирусов растений, животных и человека. К ним относятся Reoviridae и ротавирусы, вызывающие такие заболевания, как гастроэнтерит. Молекулы дцРНК являются мощными иммуногенами — они активируют иммунную систему, которая затем разрезает двухцепочечную ДНК в качестве защитного механизма. Открытие белкового механизма, обеспечивающего эту реакцию, привело к разработке технологии РНК-интерференции, подавляющей гены, за которую в 2006 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

Ссылки

1. Берг Дж.М., Тимочко Дж.Л., Страйер Л., Берг Дж.М., Тимочко Дж.Л., Страйер Л. Биохимия . 5-е изд. У. Х. Фриман; 2002. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21154/
2. Watson JD, Crick FHC. Структура ДНК. Колд Спринг Харб Симп Квант Биол . 1953; 18:123-131. doi:10.1101/SQB.1953.018.01.020
3. Холбрук С.Р. Структура РНК: длинная и короткая. Текущее мнение по структурной биологии . 2005;15(3):302-308. doi:10.1016/j.sbi.2005.04.005
4. Никодеми М., Помбо А. Модели строения хромосом. Текущее мнение по клеточной биологии . 2014;28:90-95. doi:10.1016/j.ceb.2014.04.004
5. Томсон Э., Феррейра-Черка С., Хёрт Э. Краткий обзор биогенеза эукариотических рибосом. Журнал клеточной науки . 2013;126(21):4815-4821. doi:10.1242/jcs.111948

23.1B: Характеристики эукариотической ДНК

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Безграничный
• Безграничный

Эукариоты, которые, вероятно, произошли от прокариот, обладают более сложными чертами как в клеточной организации, так и в организации ДНК.

Цели обучения

• Сравнение прокариотической ДНК и эукариотической ДНК

Ключевые моменты

• Прокариотическая геномная ДНК прикреплена к плазматической мембране в виде нуклеоида, в отличие от эукариотической ДНК, которая расположена в ядре.
• Эукариотическая ДНК линейна, сжата гистонами в хромосомы и имеет теломеры на каждом конце для защиты от порчи.
• Прокариоты содержат кольцевую ДНК в дополнение к более мелким переносимым ДНК-плазмидам.
• Эукариотические клетки содержат митохондриальную ДНК в дополнение к ядерной ДНК.
• Эукариоты разделяют реплицированные хромосомы митозом, используя белки цитоскелета, тогда как прокариоты делятся более просто посредством бинарного деления.

Ключевые термины

• теломеры : любая из повторяющихся последовательностей нуклеотидов на каждом конце эукариотической хромосомы, которые защищают хромосому от деградации
• плазмида : кольцо двухцепочечной ДНК, отделенное от хромосом, которое встречается у бактерий и простейших

Характеристики ДНК эукариот по сравнению с ДНК прокариот

Известно, что прокариотические клетки намного менее сложны, чем эукариотические клетки, поскольку считается, что эукариотические клетки присутствуют на более позднем этапе эволюции. Вероятно, эукариотические клетки произошли от прокариотических клеток. Различия в сложности можно увидеть на клеточном уровне.

Единственная характеристика, которая необходима и достаточна для того, чтобы определить организм как эукариот, — это ядро, окруженное ядерной оболочкой с ядерными порами. Все современные эукариоты имеют клетки с ядрами; большая часть генетического материала эукариотической клетки содержится в ядре. Напротив, прокариотическая ДНК не содержится в ядре, а скорее прикреплена к плазматической мембране и содержится в форме нуклеоида, области неправильной формы, не окруженной ядерной мембраной.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Клеточное расположение эукариотической и прокариотической ДНК: эукариотическая ДНК хранится в ядре, тогда как прокариотическая ДНК находится в цитоплазме в форме нуклеоида.

Эукариотическая ДНК упакована в пучки хромосом, каждый из которых состоит из линейной молекулы ДНК, свернутой вокруг основных (щелочных) белков, называемых гистонами, которые скручивают ДНК в более компактную форму. Прокариотическая ДНК имеет кольцевую нехромосомную форму. Кроме того, у прокариот есть плазмиды, представляющие собой более мелкие фрагменты кольцевой ДНК, которые могут реплицироваться отдельно от геномной ДНК прокариот. Из-за линейной природы эукариотической ДНК повторяющиеся некодирующие последовательности ДНК, называемые теломерами, присутствуют на обоих концах хромосом для защиты от порчи.

Митоз, процесс деления ядра, при котором реплицированные хромосомы делятся и разделяются с использованием элементов цитоскелета, повсеместно присутствует у эукариот. Цитоскелет содержит структурные и подвижные компоненты, называемые актиновыми микрофиламентами и микротрубочками. Все существующие эукариоты имеют эти элементы цитоскелета. Прокариоты, с другой стороны, подвергаются бинарному делению в процессе, когда ДНК реплицируется, затем разделяется на два полюса клетки, и, наконец, клетка полностью делится.

Основное различие между ДНК эукариот и прокариот заключается в наличии митохондриальной ДНК (мтДНК) у эукариот.