Место днк в клетке: 1.Нахождение в клетке ДНК и РНК 2. Нахождение в ядре ДНК и РНК 3.Состав нуклеотида… |

Содержание

Из чего состоит ДНК | Структура цепей и молекул ДНК

Из чего состоит ДНК? Кому и когда удалось найти эту молекулу в клетках людей, и прочих живых существ? В чём уникальность открытия механизма наследования и чем это обернулось для всего человечества, читайте далее в этой статье.

История

Открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло в 1869 году. И принадлежит открытие Иоганну Фридриху Мишеру. Он был биологом из Швейцарии и занимался изучением гноя. По большому счёту открытие можно назвать случайным, и сам Мишер не понял, что именно он открыл. Он назвал своё открытие нуклеином. А позже нуклеиновой кислотой, когда у неё обнаружились кислотные свойства.

Назначение этой кислоты было загадочно и неизвестно, хотя некоторые учёные уже поднимали вопрос о наследственности и существовании механизмов наследования. Современное представление о том из чего состоит цепь ДНК, было сформировано Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году. Несколько ранее, в середине тридцатых годов советские ученые А.Р. Кезеля и А.Н. Белозерский доказали, что ДНК встречается у всех живых видов. До их работы считалось, что эта молекула присутствует только в организме животных видов, а в растениях присутствует только РНК.

Тот факт, что дезоксирибонуклеиновая кислота является механизмом сохранения наследственной информации, был открыт только в 1944 году группой исследователей из Освальда. Так, совокупными усильями разных учёных мира была приоткрыта тайна эволюционного процесса и механизмов в его основе.

Использование в медицине

Открытие того из чего состоит молекула ДНК дало толчок к развитию множества новых услуг и направлений экспериментальной медицины. Благодаря новым технологиям, которые стали возможны вследствие исследования генома, сегодня почти любому доступны:

Диагностика заболеваний на сверхранней стадии. Анализ позволяет выявить инфекцию, даже если заболевание находится в инкубационном периоде, и нет ни каких симптомов.

Определение отцовства. Так же материнства и прочих родственных связей. При этом различные тесты можно проводить, как с участием потенциальных родителей, так и без них.

Тестирование на непереносимость пищевых продуктов. Какие вещества хорошо усваиваются организмом, какие плохо или не усваиваются вовсе, что вызывает аллергические реакции – всё это расскажут результаты индивидуального исследования.

Анализ этнической принадлежности – с какими народами перекрещивались далекие предки, и какие национальности формируют вас сегодня.

Исследование на наличие наследственных заболеваний, в том числе и спящих, которые передаются через поколение и более.

И это только самые востребованные тесты, имеющие коммерческий интерес и полезные для простого обывателя. Если говорить о перспективах лабораторных научных исследований, то многие учёные-генетики не без энтузиазма готовятся совершить самое великое открытие за всю человеческую историю — победить болезни и саму смерть.

Строение молекулы ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота состоит из двух цепочек нуклеотидов, которые объединены меж собой водородными связями и закручиваются в двойную спираль. Нуклеотиды в каждой цепи — это кирпичики, из которых складываются гены, биологическая их кодировка. Для каждого гена его место положения в цепочке и порядок нуклеотидов условно одинаков. Условно поскольку у одного гена возможны вариации, различное расположение некоторых нуклеотидов в составе гена. Но, в таком случае вместе со сменой структуры меняется и функциональность самого гена.

Путь от цепочки к хромосоме

У всех живых организмов клеточная структура и эти клетки содержат внутри себя ядро – такие клетки называются эукариоты. У бактерий и архей (древних одноклеточных организмов) такого ядра нет. Так же ядра в клетке нет у вирусов и вироидов ( инфекционных агентов, вызывающих болезни растений), но считать ли их живыми до сих пор вопрос дискуссионный.

Ядра клеток содержат в себе структуры, хранящие наследственную информацию – хромосомы. А вот сама хромосома и содержит внутри себя спиральную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая осуществляет функцию хранения наследственной информации.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Спираль генов, как не казалась бы она мала, всё же очень большая для микромира. Вероятно отсюда и её спиральная форма, которая позволяет ей быть более компактной. Помимо обычной спиральности ДНК может закручиваться и в форму суперспирали. Суперспирализация – это явление, когда двойная спираль накручивается на гистоновый белок, и получается, что-то вроде биокатушки. Если закручивание в двойную спираль укорачивает цепочку генов в 5 или 6 раз, то суперспирализация доводит это сокращение до 30 раз.

Как гены связаны с ДНК

Гены это самая изученная и расшифрованная на сегодня часть ДНК. Так, каково строение генов ДНК? Фактически цепочки нуклеотидов из генов и состоят. Именно гены определяют цвет глаз, волос, форму черепа, рост, группу крови и прочие физиологические качества.

Остаётся ещё много областей генома, функциональность которых не известна. Всё, что пока о них могут сказать генетики, это то, что данные области генома не участвую (по крайней мере, напрямую) в формировании организма и его функционировании.

Хромосома: определение и описание

Считается, что хромосомы это нуклеотидные биомеханизмы, которые находятся в ядре клетки. Эти биомеханизмы являются носителями и передатчиками наследственной информации, и в свою очередь содержат в себе двойную спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Чем отличаются хромосомы друг от друга

На примере Х хромосомы, цепи нуклеотидов могут пересекаться внутри хромосомы различно:

В перекрестии хромосомы, пересекаясь точно посередине друг друга.

Там же, но пересекаясь не точно.

Во втором случае одни концы получившегося перекрестия будут длиннее, а другие короче. Называют такие концы длинным и коротким плечом хромосомы. Отсюда и форма Y хромосомы, у которой ярко выражены длинные плечи, а короткие настолько не велики, что схематически не указываются.

Науке известных хромосомы трёх основных форм:

Х хромосома, которая встречается у женщин и у мужчин.

Y хромосома, встречающаяся только у мужчин.

В хромосома изредка встречается у растений, и считается отмирающей, поскольку редко наследуется. Обычно её наличие в растении связывают с его слабостью и болезненностью.

Всего в клетке человеческого организма находится 46 парных хромосом: 22 пары «обычных» и одна пара половых (ХХ у женщин и XY у мужчин). Интересный факт – если добавить или отнять всего одну пару хромосом, человек может стать помидором или орангутангом.

Наследственные болезни

Генетический код это очень многофункциональная и противоречивая структура. С одной стороны он должен хранить информацию в неизменном эталонном виде, и эта функция проявляется возможностью ДНК восстанавливать искусственные повреждения в следующем поколении. С другой же стороны, геном может быть либо поврежден, либо измениться сам, что называют мутацией.

Мутации естественное свойство генов, и последствия этих мутация бывают, как отрицательные, так и положительные. Хоть мутации и называют поломками, но это определение спорно. Некоторые мутации в чём-то ослабляют организм – именно эти мутации и ищут во время тестирования на непереносимость пищевых продуктов.

Такие мутации создают повышенные риски возникновения, какого либо заболевания при соблюдении некоторых факторов. Соответственно, если исключить эти факторы из своей жизни, то с ними будут исключены и вероятности возникновения заболевания.

Существуют и более сложные повреждения ДНК человека, которые вызывают врождённые наследственные заболевания. Например, одна лишняя хромосома в 21 паре вызывает у человека болезнь Дауна с самого рождения.

Расшифровка ДНК

Расшифровка ДНК клетки это большое и дорогостоящее исследование всех известных человеческих генов. А после завершения исследовательского проекта «Геном человека» это порядка 25 тысяч генов. И хоть расшифровка значительно подешевела, и за прошедший десяток лет упала со ста тысяч долларов до двух тысяч на одного человека, далеко не каждому это покажется приемлемой ценой.

Для удешевления медицинских и генетических исследований всю расшифровку генома разделили тематически. Так стали появляться различные тестирования, по этому принципу они и планируются – выборка генов отвечающих за интересующие тематику исследования процессы.

Синтез РНК

Нуклеотиды (из которых формируются гены) подразделяются на 4 образующих элемента: аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые содержат остатки фосфора, пептозы и азотистого основания. В цепочках ДНК эти нуклеотиды располагаются параллельно друг другу строгими парами: аденин только с тимином, а гуанин только с цитозином.

Необходимо подчеркнуть, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты ни целиком, ни частично не может (или не должна) покинуть пределов ядра. РНК выступает в роли копии участка цепи генома, которая способна покинуть ядро, попасть в саму клетку и воздействовать на идущие в ней процессы. И происходит это удивительным образом:

Спираль генов раскручивается на одном из своих участков и формирует развернутые нити обоих цепочек генов.

К развернутому участку подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует копию.

У копии есть одно ключевое отличие от оригинальной структуры нуклеотидов: тимин во всех парах ней заменён на урацил. Это и позволяет ей покидать пространство ядра клетки.

<br />

Синтез белка при помощи генов

Основное взаимодействие, которое происходит между генами и клеткой заключается в том, что разные гены могут заставлять клетку синтезировать различные белки с самыми неожиданными свойствами. Так группа генов участвующих в процессе старения клетки может, как заставить её стареть быстрее, так и омолаживаться. То есть, генов не только много, каждый из них может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Факты о ДНК

Редко, но бывают случаи, когда при беременности сначала развиваются близнецы, но потом они сливаются в единого человека. У таких людей двойное ДНК.

Иногда и генная криминалистика даёт сбои. Так, после пересадки костного мозга в теле пациента присутствует некоторое количество ДНК донора, и это может привести к ошибке тестирования.

Самым похожим на человеческий геном ДНК обладают земляные черви.

Вся цифровая информация в мире могла бы поместиться в двух граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Как клетка ремонтирует «архивную» ДНК

Чтобы устранить повреждения в неактивной ДНК, клетка временно освобождает её от белковой упаковки, давая возможность сигнальному ферменту увидеть дефекты в ДНК-цепях.

Разнообразные повреждения в ДНК могли бы сильно испортить нам (да и вообще всем живым существам) жизнь, если бы не целый комплекс молекулярных машин, занимающихся её починкой, или репарацией. Если вдруг одна или сразу две цепочки ДНК разорвутся, или какой-то нуклеотид окажется заменён на другой, который будет некомплементарным своему напарнику, или нуклеотиды окажутся сшиты вместе, то на этом участке появится «ремонтная бригада»: группа белков, которые развернут повреждённый фрагмент ДНК, вырежут ущербный кусок и вставят на его место специально синтезированную «заплатку».

Схема нуклеосомы кусок ДНК, намотанный на катушку белков-гистонов. (Фото Wikipedia.)

Петля ДНК на нуклеосоме и фермент РНК-полимераза; разрыв в цепи ДНК останавливает полимеразу, что служит сигналом системам ремонта ДНК. (Рисунок Надежда Герасимова.)

‹

›

Открыть в полном размере

Такие мутации происходят постоянно: из-за ультрафиолета, из-за ионизирующей радиации, из-за окислительного стресса, из-за каких-то вредных веществ, которые попали в организм, наконец, из-за погрешностей в работе других молекулярных машин – тех, которые выполняют репликацию ДНК. Не будь репарирующих систем, спасу бы нам не было от болезней; считается, что львиная доля онкологических заболеваний начинается с поломки репарирующих машин, которые перестают замечать повреждения в ДНК.

Системы репарации изучены довольно подробно, однако есть нюанс – то, что мы знаем о починке ДНК, относится к событиям, которые происходят на развёрнутой цепи, там, где синтезируется РНК. Когда клетке оказывается нужен какой-то белок, участок ДНК-спирали с геном белка расплетается, чтобы по одной из нитей могла «проехать» РНК-полимераза – фермент, делающий РНК-копию с ДНК – а потом уже эта копия отправляется к рибосомам, которые синтезируют собственно молекулу белка. Если полимераза натыкается на ошибку в нити ДНК, с которой работает, она сигнализирует репарирующим системам. Но повреждения в другой, комплементарной, цепи она не заметит.

Не будем забывать также о том, что в клетке ведь активна далеко не вся ДНК – в том смысле, что, какой бы они ни была, ей просто не нужны все имеющиеся у неё сотни и тысячи генов. В разные периоды жизни клеточные функции меняются, да и сами клетки предназначены для разных вещей: странно было бы требовать от фибробластов соединительной ткани, чтобы в них работали гены, необходимые нейронам для постройки синапсов. Поэтому куски ДНК с ненужными генами хранятся в запакованном виде в своеобразном архиве, в комплексе с белками гистонами.

Как известно, ДНК необычайно длинна, и чтобы она как-то поместилась в клетку, она сложным образом компактизуется вместе белками в хромосомы. Начальный этап компактизации – формирование нуклеосом: кусочек ДНК наматывается на белковую катушку; в таком виде он занимает мало места и одновременно недоступен для белков транскрипции. Однако от повреждений ДНК в нуклеосомах не защищена. Но если, к примеру, клетка вздумает делиться (а стволовые клетки, например, делятся постоянно), то она начнёт удваивать – реплицировать – всю ДНК, и начнутся проблемы, когда реплицирующий аппарат наткнётся на повреждения, которые были скрыты в нуклеосомах.

Было бы странно, если б у клетки не было инструментов для лечения такой «архивной» ДНК. Сотрудникам лаборатории Василия Студитского в Московском государственном университете удалось узнать, как это происходит. В статье в Science Advances авторы сообщают, что, хотя разрывы в ДНК могут случаться в тех участках, что скрыты в «катушке»-нуклеосоме, их всё равно каким-то образом чувствует фермент РНК-полимераза, которая, как мы помним, работает с открытой ДНК. Несмотря на плотную упаковку, нити нуклеосомной ДНК образуют петли (причём появление таких петель, очевидно, связано с переупаковкой ДНК в нуклеосомы после её временного освобождения из них – например, для того, чтобы дать возможность прочитать понадобившийся в какой-то момент ген). РНК-полимераза может ползать по освобождённым нитям, и, когда она чувствует, что с ДНК что-то не то, что есть разрыв, она даёт сигнал репарирующим машинам. Удивительно же то, что фермент чувствует повреждения, которые находятся у него «за спиной»; исследователи полагают, что из-за повреждения впереди лежащая ДНК принимает такую пространственную форму, которая останавливает полимеразу и заставляет её «задуматься».

Эксперименты проводились в пробирке, в искусственно собранной системе из гистонов, ДНК, в которую можно было вносить повреждения в специально предназначенные для этого участки, и фермента РНК-полимеразы. Естественно, результаты теперь нужно будет подтвердить в опытах с живыми клетками, однако уже сейчас можно говорить о том, что появилось новое направление в исследованиях репарации ДНК. Ну, а практическое значение таких работ очевидно: чем больше мы узнаем о репарирующих молекулярных системах, тем лучше будем понимать, как нам защититься от разнообразных мутационных болезней.

По материалам пресс-службы МГУ

Российские ученые раскрыли суть механизмов самоорганизации в живой клетке

Как именно двухметровая нить ДНК самостоятельно укладывается в трехмерную структуру, выяснили российские ученые. Они рассказали отделу науки «Газеты.Ru», как их открытие поможет вырабатывать научно обоснованные стратегии лечения разных болезней — например, создавать лекарства, которые могут заставить раковые клетки утратить способность бесконтрольно размножаться.

Хромосома — это структура, которая находится внутри клеточного ядра и несет в себе большую часть генетической информации, отвечая за ее хранение, передачу и реализацию. Хромосома образуется из одной очень длинной молекулы ДНК, представляющей собой двойную цепочку из множества генов. Если учесть, что

диаметр ядра не превышает одной сотой доли миллиметра, а длина нити ДНК составляет примерно два метра, становится ясно, что ДНК должна быть упакована очень плотно.

Язык генов сложнее человеческого

Генетический код человека состоит из «слов», которые соединяются между собой согласно определенным…

10 ноября 09:06

ДНК «упаковывается» и образует хромосомы только во время деления клетки. Но в промежутке между делениями она не просто плавает в ядре клетки: чтобы не запутаться и не порваться, молекула тонкой и длинной нитью, словно на катушку, наматывается на специальные белки — гистоны, а затем сворачивается и располагается так, что некоторые участки нити ДНК находятся близко друг к другу и взаимодействуют. Такие «плотные» области называют топологически ассоциированными доменами, или ТАДами. Области, расположенные между ТАДами («интер-ТАДы»), напротив, характеризуются низким уровнем взаимодействий.

Группа российских исследователей, возглавляемая Сергеем Разиным (заведующий кафедрой молекулярной биологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, член-корреспондент РАН), изучала, каким образом нитевидные ДНК-белковые фибриллы хроматина укладываются в трехмерные структуры — ТАДы и интер-ТАДы. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Genome Research (импакт-фактор — 13,852), кроме того, о них в своей обзорной статье сообщает журнал Nature Reviews Genetics.

Отделу науки «Газеты.Ru» удалось пообщаться с Сергеем Разиным, ведущим автором опубликованной в журнале Genome Research научной статьи. Ученый рассказал о деталях работы и о том, почему полученные результаты чрезвычайно важны для развития мировой генетики.

— Сергей Владимирович, расскажите, пожалуйста, какую роль выполняют расположенные в хромосоме топологически ассоциированные домены — ТАДы? В чем заключаются их отличия от регионов, расположенных между ними?

— В ядре любой клетки человека, имеющем диаметр в среднем около 10 микрон, заключено примерно 2 метра ДНК. Понятно, что эта ДНК должна быть компактно уложена. Основная проблема заключается в том, что, несмотря на высокий уровень компактизации генома в целом, транскрипционно-активные области должны быть доступны для различных белковых факторов и ферментов, осуществляющих транскрипцию.

Ранее рядом авторов было продемонстрировано, что геномы млекопитающих и дрозофилы организованы в компактные топологически ассоциированные домены — ТАДы, разделенные некими пограничными участками.

100%

Природа этих пограничных участков оставалась неясной. Большинство авторов считало, что само существование этих границ между компактными доменами обусловлено присутствием особых «разделительных» геномных элементов — инсуляторов, механизм действия которых никто объяснить не мог. Мы продемонстрировали, что между ТАДами располагаются активные участки генома, содержащие гены, которые работают во всех типах клеток (так называемые гены «домашнего хозяйства»). Особенности хроматина работающих генов оказались достаточными для того, чтобы объяснить, почему такой хроматин просто не может быть уложен в компактные ТАДы. Прямой ответ на поставленный вами вопрос состоит в том, что ТАДы являются хранилищами невостребованной в данном типе клеток генетической информации — главным образом тканеспецифичных генов, работающих только в определенных типах клеток. Активация транскрипции таких генов приводит к декомпактизации ТАДов — превращению их в интер-ТАДы.

«Нобель» за ремонт ДНК

Нобелевская премия по химии 2015 года была присуждена за исследования в области изучения методов…

07 октября 19:05

— А в чем заключается суть вашего открытия?

— С концептуальной точки зрения основное значение нашей работы заключается в том, что мы продемонстрировали, каким образом линейная фибрилла хроматина сама укладывается в трехмерную структуру. Это является яркой демонстрацией работы механизмов самоорганизации в живой клетке. Именно эта концептуальная составляющая работы нашла отклик среди коллег во всем мире. Без преувеличения можно сказать, что здесь целиком российская работа оказалась на пике мировых исследований.

В геномике таких «прорывных работ», выполненных в России, не было уже много лет.

Это стало возможным в том числе и благодаря междисциплинарному характеру авторского коллектива (биологи, биоинформатики, физики; принципиально важное для подтверждения выводов работы компьютерное моделирование стало возможным благодаря наличию в МГУ супервычислителя «Ломоносов»).

— Какое продолжение может получить ваша работа?

— Любая хорошая работа служит платформой для дальнейших исследований. Наша работа не является исключением. Уже сейчас в прогрессе целый ряд проектов, направленных на уточнение нашей модели и получение новых данных о том, как взаимосвязаны структурная и функциональная организация генома эукариотической клетки.

— Какое практическое применение могут иметь сделанные вами выводы — возможно, в будущем они смогут применяться в медицине или в каких-либо генетических исследованиях?

Конец начала расшифровки генома

Ключ к лечению рака, несвертываемости крови, болезни Альцгеймера и многих других заболеваний был получен в…

05 октября 17:04

— Луи Пастер в свое время говорил о том, что не существует никакой прикладной науки. Есть (фундаментальная) наука и ее практические приложения. Новые знания о том, как работает генетический аппарат живой клетки, рано или поздно будут конвертированы в практические решения. В нашем случае есть веские основания считать, что ТАДы являются одновременно регуляторными доменами, в рамках которых энхансеры (небольшие участки ДНК, усиливающие экспрессию генов. – «Газета.Ru») могут активировать различные тканеспецифичные гены. Соответственно, объединение ТАДов в результате хромосомных перестроек или их разделение может приводить к изменению спектра генов, активируемых тем или иным энхансером (суперэнхансером).

Это может быть причиной возникновения различных заболеваний (онкологических заболеваний, таласемий, нейродегенеративных заболеваний и т.д.).

Знание механизмов возникновения тех или иных заболеваний позволит вырабатывать научно обоснованные стратегии их лечения. Кроме того, в настоящее время многие фармацевтические компании активно разрабатывают так называемые «эпигенетические лекарства», способные, например, возвратить раковые клетки на путь нормальной дифференцировки (т.е. заставить их утратить способность бесконтрольно размножаться). Эта работа на текущий момент в значительной мере делается наудачу (анализируется эффект различных соединений на работу эпигенетических механизмов). С тем чтобы сделать поиск таких лекарств более осмысленным, необходимо понять, как работают эпигенетические системы контроля транскрипции генов. В настоящее время ясно, что эти системы влияют на способ упаковки ДНК в хроматине. Соответственно, раскрытие принципов трехмерной организации хроматиновой фибриллы является предпосылкой для понимания механизмов работы эпигенетических систем, а стало быть, и для разработки стратегий направленного влияния на работу этих систем.

Как ДНК устроена в клетке – Биология Муниципального колледжа Маунт-Худ 102

ДНК – рабочая молекула; он должен быть реплицирован (скопирован), когда клетка готова к делению, и его необходимо «прочитать», чтобы произвести молекулы, такие как белки, для выполнения функций клетки. По этой причине ДНК защищена и упакована очень специфическим образом. Кроме того, молекулы ДНК могут быть очень длинными. Растянутые из конца в конец молекулы ДНК в одной человеческой клетке достигают длины около 2 метров (примерно 6 футов). Таким образом, ДНК клетки должна быть упакована очень упорядоченным образом, чтобы соответствовать и функционировать внутри структуры (клетки), невидимой невооруженным глазом.

Рисунок 3: В женской клетке человеческого тела 23 пары хромосом. Эти хромосомы видны внутри ядра (вверху), удалены из клетки во время клеточного деления (справа) и расположены в соответствии с длиной (слева) в расположении, называемом кариотипом . На этом изображении хромосомы были подвергнуты флуоресцентному окрашиванию, чтобы их можно было различить. (кредит: «718 Bot»/Wikimedia Commons, Национальное исследование генома человека)

Полный набор ДНК клетки называется ее геном . У прокариот (бактерий) геном состоит из одной двухцепочечной молекулы ДНК в форме петли или кольца. Область в клетке, содержащая этот генетический материал, называется нуклеоидом . ДНК не находится внутри отдельной структуры внутри клетки. Нуклеоид находится в цитоплазме клетки. Некоторые прокариоты также имеют более мелкие петли ДНК, называемые плазмидами , которые не являются необходимыми для нормального роста.

Размер генома одной из наиболее хорошо изученных прокариот, Escherichia coli, состоит из 4,6 миллиона пар оснований, которые при растяжении удлиняются примерно на 1,6 мм. Так как же это помещается внутри маленькой бактериальной клетки? ДНК закручена за пределы двойной спирали в так называемой суперспирализации. Известно, что некоторые белки участвуют в суперспирализации; другие белки и ферменты помогают поддерживать сверхспиральную структуру.

Рисунок 4: Эукариоты содержат четко очерченное ядро, тогда как у прокариот хромосома лежит в цитоплазме в области, называемой нуклеоидом.

Эукариоты , такие как животные и растения, имеют хромосомы , которые состоят из нескольких линейных молекул ДНК (рис. 5). Хромосомы представляют собой нитевидные структуры, расположенные внутри ядра эукариотических клеток. Каждая хромосома состоит из белка и одной линейной двойной спирали ДНК. Термин «хромосома» происходит от греческих слов «цвет» (цветность) и «тело» (сома). Ученые дали такое название хромосомам, потому что они представляют собой клеточные структуры или тела, которые сильно окрашиваются некоторыми красочными красителями, используемыми в исследованиях.

Рисунок 5: Основная структура эукариотических хромосом внутри ядра клетки («Хромосомы» Национального института исследования генома человека находятся в общественном достоянии)

У эукариот обычно гораздо больше ДНК, чем у прокариот: геном человека составляет примерно 3 миллиард пар оснований, в то время как геном E. coli составляет примерно 4 миллионов. По этой причине эукариоты используют другой тип стратегии упаковки, чтобы поместить свою ДНК внутри ядра ( Рисунок 6 ). На самом базовом уровне ДНК обернута вокруг белков, известных как гистонов . ДНК, обернутая вокруг гистонов, обертывается и складывается через несколько дополнительных уровней сложности. ДНК и гистоны, вокруг которых она обернута, называются хроматином . Эти более толстые и компактные структуры — это то, что вы видели раньше на картинках, помеченных как «хромосомы».

Каждый вид эукариот имеет характерное число хромосом в ядрах своих клеток. Клетки человеческого тела (соматические клетки ) имеют 46 хромосом. Соматическая клетка содержит два согласованных набора хромосом, один от родителя-мужчины и один от родителя-женщины. Яйцеклетки и сперматозоиды содержат по одному набору из 23 хромосом.

Рисунок 6: Эти рисунки иллюстрируют уплотнение эукариотической хромосомы.

Хромосомы содержат участки ДНК, называемые генами. Ген — это участок ДНК, который будет использоваться для производства одного белка. Каждый человек имеет одни и те же гены, расположенные на одних и тех же хромосомах, но эти гены могут состоять из разных последовательностей ДНК. Это означает, что люди будут производить разные белки, которые придадут им разные черты.

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.

OpenStax, Концепции биологии. OpenStax CNX. 18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]:8v2Xzdco@5/The-Structure-of-DNA

«Домашняя ссылка по генетике: помогите мне понять генетику», Национальные институты здравоохранения: США> Национальная медицинская библиотека находится в общественном достоянии

3.

3 Репликация ядра и ДНК – анатомия и физиология

Перейти к содержимому

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Описывать строение и особенности ядерной оболочки
Список содержимого ядра
Объясните организацию молекулы ДНК внутри ядра
Опишите процесс репликации ДНК

Ядро — самая крупная и наиболее заметная органелла клетки (рис. 3.3.1). Ядро обычно считается центром управления клетки, потому что оно хранит все генетические инструкции для производства белков. Интересно, что некоторые клетки тела, такие как мышечные клетки, содержат более одного ядра (рис. 3.3.2), которые известны как многоядерные. Другие клетки, такие как эритроциты млекопитающих (эритроциты), вообще не содержат ядер. По мере созревания эритроциты выбрасывают свои ядра, освобождая место для большого количества молекул гемоглобина, которые переносят кислород по всему телу (рис. 3.3.3). Без ядер продолжительность жизни эритроцитов коротка, поэтому организм должен постоянно производить новые.

Рисунок 3.3.1 – Ядро: Ядро является центром управления клетки. Ядра живых клеток содержат генетический материал, который определяет всю структуру и функции этой клетки.

Рисунок 3.3.2 – Многоядерная мышечная клетка: В отличие от клеток сердечной мышцы и клеток гладкой мускулатуры, которые имеют одно ядро, клетка скелетных мышц содержит много ядер и называется «многоядерной». Эти мышечные клетки длинные и волокнистые (часто называемые мышечными волокнами). Во время развития множество более мелких клеток сливаются, образуя зрелое мышечное волокно. Ядра слитых клеток сохраняются в зрелой клетке, что придает многоядерный характер зрелым мышечным клеткам. Лм × 104,3. (Микрофотография предоставлена Регентами Медицинской школы Мичиганского университета © 2012 г.)

Внешний веб-сайт

Посетите веб-сайт Мичиганского университета по адресу http://141. 214.65.171/Histology/Basic%20Tissues/Muscle/058thin_HISTO_83X.svs/view.apml, чтобы более подробно изучить образец ткани.

Рисунок 3.3.3 – Эритроцит, выдавливающий свое ядро: Зрелые эритроциты не имеют ядра. По мере взросления эритробласты выталкивают свое ядро, освобождая место для большего количества гемоглобина. Две панели здесь показывают эритробласт до и после выброса ядра соответственно. (кредит: модификация микрофотографии предоставлена Регентами Медицинской школы Мичиганского университета © 2012)

Внешний веб-сайт

Просмотрите WebScope Мичиганского университета по адресу http://virtualslides.med.umich.edu/Histology/EMsmallCharts/3%20Image%20Scope%20finals/139%20-%20Erythroblast_001.svs/view. apml для более подробного изучения образца ткани.

Внутри ядра находится план, который диктует все, что клетка будет делать, и все продукты, которые она будет производить. Эта информация хранится в ДНК. Ядро отправляет «команды» в клетку через молекулярных посредников, которые транслируют информацию из ДНК. Каждая клетка вашего тела (за исключением зародышевых клеток) содержит полный набор вашей ДНК. Когда клетка делится, ДНК должна быть продублирована, чтобы каждая новая клетка получила полный набор ДНК. В следующем разделе будет рассмотрена структура ядра и его содержимого, а также процесс репликации ДНК.

Организация ядра и его ДНК

Как и большинство других клеточных органелл, ядро окружено мембраной, называемой ядерной оболочкой . Это мембранное покрытие состоит из двух соседних липидных бислоев с тонким жидким пространством между ними. Эти два бислоя перекрываются ядерными порами. Ядерная пора представляет собой крошечный проход для прохождения белков, РНК и растворенных веществ между ядром и цитоплазмой. Белки, называемые поровыми комплексами, выстилающими ядерные поры, регулируют прохождение материалов в ядро и из него.

Внутри ядерной оболочки находится гелеобразная нуклеоплазма с растворенными веществами, в состав которых входят строительные блоки нуклеиновых кислот. Также может быть темная масса, часто видимая под простым световым микроскопом, называемая ядрышка (множественное число = ядрышки). Ядрышко — это область ядра, которая отвечает за производство РНК, необходимой для построения рибосом. После синтеза новообразованные рибосомные субъединицы выходят из ядра клетки через ядерные поры.

Генетические инструкции, которые используются для построения и поддержания организма, организованы упорядоченным образом в цепочках ДНК. Внутри ядра находятся нити хроматина , состоящие из ДНК и ассоциированных с ней белков (рис. 3.3.4). Вдоль хроматиновых нитей ДНК обернута вокруг набора белков-гистонов . Нуклеосома представляет собой единый обернутый комплекс ДНК-гистон. Множественные нуклеосомы вдоль всей молекулы ДНК выглядят как ожерелье из бисера, в котором нить — это ДНК, а бусинки — связанные с ней гистоны. Когда клетка находится в процессе деления, хроматин конденсируется в хромосомы, так что ДНК можно безопасно транспортировать в «дочерние клетки». хромосома состоит из ДНК и белков; это конденсированная форма хроматина. Подсчитано, что у людей почти 22 000 генов распределены по 46 хромосомам.

Рисунок 3.3.4 – Макроструктура ДНК: Нити ДНК обернуты вокруг поддерживающих гистонов. Эти белки все больше группируются и конденсируются в хроматин, который плотно упаковывается в хромосомы, когда клетка готова к делению.

Репликация ДНК

Чтобы организм рос, развивался и поддерживал свое здоровье, клетки должны воспроизводить себя путем деления, чтобы произвести две новые дочерние клетки, каждая с полным набором ДНК, как в исходной клетке. Ежедневно у взрослого человека образуются миллиарды новых клеток. Только очень немногие типы клеток в организме не делятся, включая нервные клетки, волокна скелетных мышц и клетки сердечной мышцы. Время деления разных типов клеток различается. Эпителиальные клетки кожи и слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта, например, очень часто делятся, чтобы заменить те, которые постоянно стираются с поверхности в результате трения.

Молекула ДНК состоит из двух цепей, которые «дополняют» друг друга в том смысле, что молекулы, из которых состоят нити, подходят друг к другу и связываются друг с другом, создавая двухцепочечную молекулу, которая очень похожа на длинную закрученную лестницу. Каждая боковая перекладина лестницы ДНК состоит из чередующихся сахарных и фосфатных групп (рис. 3.3.5). Две стороны лестницы не идентичны, но дополняют друг друга. Эти два остова соединены друг с другом через пары выступающих оснований, причем каждая соединенная пара образует одну «ступеньку» или поперечину. Четыре основания ДНК — это аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Из-за своей формы и заряда два основания, составляющие пару, всегда связаны друг с другом. Аденин всегда связывается с тимином, а цитозин всегда связывается с гуанином. Конкретная последовательность оснований в молекуле ДНК определяет генетический код. Следовательно, если две комплементарные нити ДНК разъединить, вы сможете вывести порядок оснований в одной нити по основаниям в другой, комплементарной нити. Например, если одна цепь имеет участок с последовательностью AGTGCCT, то последовательность комплементарной цепи будет TCACGGA.

Рисунок 3.3.5 – Молекулярная структура ДНК: Двойная спираль ДНК состоит из двух комплементарных нитей. Нити связаны друг с другом через пары азотистых оснований с использованием водородных связей.

Репликация ДНК — это копирование ДНК, которое происходит до того, как может произойти деление клетки. После долгих споров и экспериментов общий метод репликации ДНК был выведен в 1958 году двумя учеными из Калифорнии, Мэтью Мезельсоном и Франклином Сталем. Этот метод показан на рисунке 3.3.6 и описан ниже.

Рисунок 3.3.6 – Репликация ДНК: Репликация ДНК точно дублирует весь геном клетки. Во время репликации ДНК ряд различных ферментов работают вместе, чтобы разделить две цепи, чтобы каждая нить могла использоваться в качестве матрицы для синтеза новых комплементарных цепей. Каждая из двух новых дочерних молекул ДНК содержит одну ранее существовавшую цепь и одну вновь синтезированную цепь. Таким образом, репликация ДНК называется «полуконсервативной».

Этап 1: Инициация. Две взаимодополняющие нити разделены, как расстегивается молния. Специальные ферменты, в том числе геликаза , раскрутите и разделите две нити ДНК.

Стадия 2: Удлинение. Каждая нить становится шаблоном, по которому строится новая комплементарная нить. ДНК-полимераза вводит правильные основания в дополнение к матричной цепи, синтезируя новую цепь основание за основанием. ДНК-полимераза представляет собой фермент, который добавляет свободные нуклеотиды к концу цепи ДНК, образуя новую двойную цепь. Эта растущая нить продолжает строиться до тех пор, пока полностью не дополнит нить-шаблон.

Этап 3: Прекращение. Как только две исходные нити соединяются со своими собственными, законченными, комплементарными цепями, репликация ДНК останавливается, и две новые идентичные молекулы ДНК завершены.

Каждая новая молекула ДНК содержит одну цепь исходной молекулы и одну вновь синтезированную цепь. Этот способ репликации называется полуконсервативным, поскольку половина исходной молекулы ДНК сохраняется в каждой новой молекуле ДНК. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все 9 клеток не0004 геном , полный набор ДНК организма, реплицируется. Как вы понимаете, очень важно, чтобы репликация ДНК происходила именно так, чтобы новые клетки в организме содержали точно такой же генетический материал, что и их родительские клетки. Ошибки, допущенные во время репликации ДНК, такие как случайное добавление неподходящего нуклеотида, могут сделать ген нефункциональным или бесполезным. К счастью, существуют механизмы, позволяющие свести к минимуму такие ошибки. Процесс корректировки ДНК требует помощи специальных ферментов, которые сканируют только что синтезированную молекулу на наличие ошибок и исправляют их. Как только процесс репликации ДНК завершен, клетка готова к делению. Далее в этой главе вы изучите процесс клеточного деления.

Цели обучения

Посмотрите это видео, чтобы узнать о репликации ДНК. Репликация ДНК происходит одновременно в нескольких местах одной и той же молекулы. Что разделяет пару оснований в начале репликации ДНК?

Обзор главы

Ядро — это командный центр клетки, содержащий генетические инструкции для всех материалов, которые клетка будет производить (и, следовательно, для всех своих функций, которые она может выполнять). Ядро заключено в мембрану из двух взаимосвязанных липидных бислоев, расположенных бок о бок. Эта ядерная оболочка усеяна порами, выстланными белком, которые позволяют веществам проникать в ядро и выходить из него. Ядро содержит одно или несколько ядрышек, которые служат местами для синтеза рибосом. В ядре находится генетический материал клетки: ДНК. ДНК обычно находится в виде свободной структуры, называемой хроматином, внутри ядра, где она закручена и связана с различными гистоновыми белками. Когда клетка собирается делиться, хроматин плотно скручивается и конденсируется, образуя хромосомы.

В вашем теле есть пул клеток, которые постоянно делятся. В результате каждый день создаются миллиарды новых клеток. Прежде чем любая клетка будет готова к делению, она должна реплицировать свою ДНК, чтобы каждая новая дочерняя клетка получила точную копию генома организма. Во время репликации ДНК задействуются различные ферменты. Эти ферменты раскручивают молекулу ДНК, разделяют две нити и помогают строить комплементарные нити вдоль каждой родительской нити. Исходные нити ДНК служат матрицами, по которым определяются и синтезируются нуклеотидные последовательности новых цепей. Когда репликация завершена, существуют две идентичные молекулы ДНК. Каждый из них содержит одну исходную цепь и одну вновь синтезированную комплементарную цепь.

Лицензия

Анатомия и физиология Линдси М. Бига, Сьерра Доусон, Эми Харвелл, Робин Хопкинс, Джоэл Кауфманн, Майк ЛеМастер, Филип Матерн, Кэти Моррисон-Грэм, Девон Квик и Джон Руньон лицензирована Creative Commons Attribution -ShareAlike 4.0 Международная лицензия, если не указано иное.

Поделиться этой книгой

Поделиться в Твиттере

Ядро и репликация ДНК – анатомия и физиология

Клеточный уровень организации

OpenStaxCollege

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Описывать строение и особенности ядерной оболочки
Список содержимого ядра
Объясните организацию молекулы ДНК внутри ядра
Опишите процесс репликации ДНК

Ядро — самая крупная и наиболее заметная органелла клетки ([ссылка]). Ядро обычно считается центром управления клетки, потому что оно хранит все генетические инструкции для производства белков. Интересно, что некоторые клетки в организме, такие как мышечные клетки, содержат более одного ядра ([ссылка]), которые известны как многоядерные. Другие клетки, такие как эритроциты млекопитающих (эритроциты), вообще не содержат ядер. Эритроциты выбрасывают свои ядра по мере созревания, освобождая место для большого количества молекул гемоглобина, которые переносят кислород по всему телу ([ссылка]). Без ядер продолжительность жизни эритроцитов коротка, поэтому организм должен постоянно производить новые.

Ядро

Ядро является центром управления клетки. Ядра живых клеток содержат генетический материал, который определяет всю структуру и функции этой клетки.

Многоядерная мышечная клетка

В отличие от клеток сердечной мышцы и клеток гладкой мускулатуры, которые имеют одно ядро, клетка скелетных мышц содержит много ядер и называется «многоядерной». Эти мышечные клетки длинные и волокнистые (часто называемые мышечными волокнами). Во время развития множество более мелких клеток сливаются, образуя зрелое мышечное волокно. Ядра слитых клеток сохраняются в зрелой клетке, что придает многоядерный характер зрелым мышечным клеткам. Лм × 104,3. (Микрофотография предоставлена Регентами Медицинской школы Мичиганского университета © 2012 г.)

Просмотрите WebScope Мичиганского университета, чтобы более подробно изучить образец ткани.

Эритроцит, выдавливающий ядро

Зрелые эритроциты не имеют ядра. По мере взросления эритробласты выталкивают свое ядро, освобождая место для большего количества гемоглобина. Две панели здесь показывают эритробласт до и после выброса ядра соответственно. (кредит: модификация микрофотографии предоставлена Регентами Медицинской школы Мичиганского университета © 2012)

Просмотрите WebScope Мичиганского университета, чтобы более подробно изучить образец ткани.

Внутри ядра находится план, который диктует все, что клетка будет делать, и все продукты, которые она будет производить. Эта информация хранится в ДНК. Ядро посылает «команды» клетке через молекулярных мессенджеров, которые транслируют информацию из ДНК. Каждая клетка вашего тела (за исключением зародышевых клеток) содержит полный набор вашей ДНК. Когда клетка делится, ДНК должна быть продублирована, чтобы каждая новая клетка получала полный набор ДНК. В следующем разделе будет рассмотрена структура ядра и его содержимого, а также процесс репликации ДНК.

Как и большинство других клеточных органелл, ядро окружено мембраной, называемой ядерной оболочкой. Это мембранное покрытие состоит из двух соседних липидных бислоев с тонким жидким пространством между ними. Эти два бислоя перекрываются ядерными порами. Ядерная пора представляет собой крошечный проход для прохождения белков, РНК и растворенных веществ между ядром и цитоплазмой. Белки, называемые поровыми комплексами, выстилающими ядерные поры, регулируют прохождение материалов в ядро и из него.

Внутри ядерной оболочки находится гелеобразная нуклеоплазма с растворенными веществами, которые включают строительные блоки нуклеиновых кислот. Также может быть темная масса, часто видимая под простым световым микроскопом, называемая ядрышком (множественное число = ядрышки). Ядрышко — это область ядра, которая отвечает за производство РНК, необходимой для построения рибосом. После синтеза новообразованные рибосомные субъединицы выходят из ядра клетки через ядерные поры.

Генетические инструкции, которые используются для создания и поддержания организма, упорядоченно расположены в цепях ДНК. Внутри ядра есть нити хроматина, состоящие из ДНК и связанных с ней белков ([ссылка]). Вдоль хроматиновых нитей ДНК обернута вокруг набора гистоновых белков. Нуклеосома представляет собой одиночный завернутый комплекс ДНК-гистон. Множественные нуклеосомы вдоль всей молекулы ДНК выглядят как ожерелье из бисера, в котором нить — это ДНК, а бусинки — связанные с ней гистоны. Когда клетка находится в процессе деления, хроматин конденсируется в хромосомы, так что ДНК можно безопасно транспортировать в «дочерние клетки». Хромосома состоит из ДНК и белков; это конденсированная форма хроматина. Подсчитано, что у людей почти 22 000 генов распределены по 46 хромосомам.

Макроструктура ДНК

Нити ДНК обернуты вокруг поддерживающих гистонов. Эти белки все больше группируются и конденсируются в хроматин, который плотно упаковывается в хромосомы, когда клетка готова к делению.

Молекула ДНК состоит из двух нитей, которые «дополняют» друг друга в том смысле, что молекулы, составляющие нити, подходят друг к другу и связываются друг с другом, создавая двухцепочечную молекулу, которая очень похожа на длинную скрученную лестницу. Каждая боковая направляющая лестницы ДНК состоит из чередующихся сахарных и фосфатных групп ([ссылка]). Две стороны лестницы не идентичны, но дополняют друг друга. Эти два остова соединены друг с другом через пары выступающих оснований, причем каждая соединенная пара образует одну «ступеньку» или поперечину. Четыре основания ДНК — это аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Из-за своей формы и заряда два основания, составляющие пару, всегда связаны друг с другом. Аденин всегда связывается с тимином, а цитозин всегда связывается с гуанином. Конкретная последовательность оснований в молекуле ДНК определяет генетический код. Следовательно, если две комплементарные нити ДНК разъединить, вы сможете вывести порядок оснований в одной нити по основаниям в другой, комплементарной нити. Например, если одна цепь имеет участок с последовательностью AGTGCCT, то последовательность комплементарной цепи будет TCACGGA.

Молекулярная структура ДНК

Двойная спираль ДНК состоит из двух комплементарных нитей. Нити связаны друг с другом через пары азотистых оснований с использованием водородных связей.

Репликация ДНК — это копирование ДНК, которое происходит до начала деления клетки. После долгих споров и экспериментов общий метод репликации ДНК был выведен в 1958 году двумя учеными из Калифорнии, Мэтью Мезельсоном и Франклином Сталем. Этот метод проиллюстрирован в [ссылка] и описан ниже.

Репликация ДНК

Репликация ДНК точно дублирует весь геном клетки. Во время репликации ДНК ряд различных ферментов работают вместе, чтобы разделить две цепи, чтобы каждая нить могла использоваться в качестве матрицы для синтеза новых комплементарных цепей. Каждая из двух новых дочерних молекул ДНК содержит одну ранее существовавшую цепь и одну вновь синтезированную цепь. Таким образом, репликация ДНК называется «полуконсервативной».

Этап 1: Инициация. Две взаимодополняющие нити разделяются, как расстегивается молния. Специальные ферменты, в том числе геликаза, раскручивают и разделяют две нити ДНК.

Стадия 2: Удлинение. Каждая нить становится шаблоном, по которому строится новая комплементарная нить. ДНК-полимераза вводит правильные основания в дополнение к матричной цепи, синтезируя новую цепь основание за основанием. ДНК-полимераза — это фермент, который добавляет свободные нуклеотиды к концу цепи ДНК, образуя новую двойную цепь. Эта растущая нить продолжает строиться до тех пор, пока полностью не дополнит нить-шаблон.

Каждая новая молекула ДНК содержит одну цепь исходной молекулы и одну вновь синтезированную цепь. Этот способ репликации называется полуконсервативным, поскольку половина исходной молекулы ДНК сохраняется в каждой новой молекуле ДНК. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет реплицирован весь геном клетки, весь набор ДНК организма. Как вы понимаете, очень важно, чтобы репликация ДНК происходила именно так, чтобы новые клетки в организме содержали точно такой же генетический материал, что и их родительские клетки. Ошибки, допущенные во время репликации ДНК, такие как случайное добавление неподходящего нуклеотида, могут сделать ген нефункциональным или бесполезным. К счастью, существуют механизмы, позволяющие свести к минимуму такие ошибки. Процесс корректировки ДНК требует помощи специальных ферментов, которые сканируют только что синтезированную молекулу на наличие ошибок и исправляют их. Как только процесс репликации ДНК завершен, клетка готова к делению. Далее в этой главе вы изучите процесс клеточного деления.

фермент

Какие из следующих общих черт имеют ядро и митохондрии?

мембранные поры, выстланные белком
двойная клеточная мембрана
синтез рибосом
производство сотовой энергии

Какие из следующих структур могут быть обнаружены внутри ядрышка?

хроматин
гистонов
рибосомы
нуклеосомы

Какая из следующих последовательностей молекулы ДНК будет комплементарна GCTTATAT?

ТАГГКГКГ
ATCCGCGC
КГААТАТА
TGCCTCTC

Расположите следующие структуры в порядке от наименее до наиболее сложной организации: хроматин, нуклеосома, ДНК, хромосома

ДНК, нуклеосома, хроматин, хромосома
нуклеосома, ДНК, хромосома, хроматин
ДНК, хроматин, нуклеосома, хромосома
нуклеосома, хроматин, ДНК, хромосома

Что из следующего является частью стадии элонгации синтеза ДНК?

разделение двух цепей ДНК
присоединение комплементарных нуклеотидов к цепи матрицы
раскручивание спирали ДНК
ничего из вышеперечисленного

Объясните своими словами, почему репликацию ДНК называют «полуконсервативной»?

Репликация ДНК считается полуконсервативной, поскольку после завершения репликации одна из двух исходных цепей ДНК составляет половину каждой новой молекулы ДНК.