Открытие генетической роли ДНК
ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Впервые нуклеиновую кислоту, свободную от белков, получил Р. Альтман в 1889 г., который и ввел этот термин в биохимию. Лишь к середине 1930-х годов было доказано, что ДНК и РНК содержатся в каждой живой клетке. Первостепенная роль в утверждении этого фундаментального положения принадлежит А. Н. Белозерскому, впервые выделившему ДНК из растений. Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. О. Эверину, Колину Мак-Леоду и Маклину Мак-Карти (1944 г.) удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенные из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных (эксперимент Херши - Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг.Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии или медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.В 1960 г. сразу в нескольких лабораториях был открыт фермент РНК-полимераза, осуществляющий синтез РНК на ДНК-матрицах. Генетический аминокислотный код был полностью расшифрован в 1961–1966 гг. усилиями лабораторий М. Ниренберга, С. Очоа и Г. Кораны.
Химический состав и структурная организация молекулы днк.
ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. Молекула ДНК – это самый крупный биополимер, мономером которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из остатков 3 веществ: 1 – азотистого основания; 2 – углевода дезоксирибозы; 3 - фосфорной кислоты (рисунок – строение нуклеотида). Нуклеотиды, участвующие в образовании молекулы ДНК отличаются друг от друга азотистыми основаниями. Азотистые основание: 1 – Цитозин и Тимин (производные пиримидина) и 2 – Аденин и Гуанин (производные пурина). Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорный кислоты соседнего (рисунок – строение полинуклеотидной цепи). Правило Чаргаффа (1951г.): число пуриновых оснований в ДНК всегда равно числу пиримидиновых, А=Т Г=Ц.
1953г. Дж. Уотсон и Ф. Крик – Представили модель строения молекулы ДНК (рисунок – строение молекулы ДНК).
Первичная структура – последовательность расположения мономерных звеньев (мононуклеотидов) в линейных полимерах. Цепь стабилизируется 3,5 – фосфодиэфирными связями.Вторичная структура – двойная спираль, формирование которой определяется межнуклеотидными водородными связями, которые образуются между основаниями входящими в канонические пары А-Т (2 водородные связи) и Г-Ц (3 водородные связи). Цепи удерживаются стекинг-взаимодействиями, электростатическими взаимодействиями,Ван-Дер-Ваальсовыми взаимодействиями.Третичная структура – общая форма молекул биополимеров. Сверхспиральная структура – когда замкнутая двойная спираль образует не кольцо, а структуру с витками более высокого порядка (обеспечивает компактность).Четвертичная структура – укладка молекул в полимолекулярные ансамбли. Для нуклеиновых кислот - это ансамбли, включающие молекулы белков.
Многих людей всегда интересовало, почему некоторые признаки, имеющиеся у родителей, передаются ребенку (например, цвет глаз, волос, форма лица и другие). Наукой было доказано, что данная передача признака зависит от генетического материала, или ДНК.
Как было сказано, основной структурной единицей дезоксирибонуклеиновой кислоты является нуклеотид. Это сложное образование. Состав нуклеотида ДНК следующий.
По центру нуклеотида находится пятикомпонентный сахар (в ДНК в отличие от РНК, в которой содержится рибоза). К нему присоединяется азотистое основание, которых выделяют 5 типов: аденин, гуанин, тимин, урацил и цитозин. Кроме того, каждый нуклеотид имеет в своем составе и остаток фосфорной кислоты.
В состав ДНК входят только те нуклеотиды, которые имеют указанные структурные единицы.
Все нуклеотиды расположены в виде цепи и следуют друг за другом. Группируясь по триплетам (по три нуклеотида), они образуют последовательность, в которой каждый триплет соответствует определенной аминокислоте. В результате образуется цепь.
Они объединяются между собой за счет связей азотистых оснований. Основная связь между нуклеотидами параллельных цепей - водородная.
Нуклеотидные последовательности являются основой генов. Нарушение в их структуре ведет к сбою в синтезе белков и проявлению мутаций. В состав ДНК входят одинаковые гены, определяющиеся практически у всех людей и отличающие их от других организмов.
В некоторых случаях для более стабильной передачи того или иного признака используется модифицирование азотистого основания. Химический состав ДНК изменяется за счет присоединения метильной группы (СН3). Подобная модификация (на одном нуклеотиде) позволяет стабилизировать генную экспрессию и передачу признаков дочерним клеткам.
Подобное “улучшение” структуры молекулы никоим образом не сказывается на объединении азотистых оснований.
Данная модификация используется и при инактивации Х-хромосомы. В результате этого образуются тельца Барра.
При усиленном канцерогенезе анализ ДНК показывает, что цепочка нуклеотидов была подвержена метилированию на многих основаниях. В проведенных наблюдениях было замечено, что источником мутации обычно служит метилированный цитозин. Обычно при опухолевом процессе деметилирование может способствовать остановке процесса, но за счет своей сложности данная реакция не проводится.
В строении молекулы выделяют два типа структуры. Первый тип - линейная последовательность, образованная нуклеотидами. Их построение подчиняется некоторым законам. Запись нуклеотидов на молекуле ДНК начинается с 5’-конца и заканчивается 3’-концом. Вторая цепь, расположенная напротив, строится таким же образом, только в пространственном отношении молекулы находятся одна напротив другой, причем 5’-конец одной цепи расположен напротив 3’-конца второй.
Вторичная структура ДНК - спираль. Обуславливается наличием водородных связей между располагающимися друг напротив друга нуклеотидами. Водородная связь образуется между комплементарными азотистыми основаниями (например, напротив аденина первой цепи может находиться только тимин, а напротив гуанина - цитозин либо урацил). Подобная точность обусловлена тем, что построение второй цепи происходит на основе первой, поэтому между азотистыми основаниями наблюдается точное соответствие.
Каким же образом образуется молекула ДНК?
В цикле ее образования выделяют три стадии:
На стадии разъединения молекулы основную роль играют ферменты - ДНК-гиразы. Данные ферменты ориентированы на разрушение водородных связей между цепями.
После расхождения цепей в дело вступает основной синтезирующий фермент - ДНК-полимераза. Ее присоединение наблюдается на участке 5’. Далее данный фермент движется в сторону 3’-конца, попутно присоединяя необходимые нуклеотиды с соответствующими азотистыми основаниями. Дойдя до определенного участка (терминатора) на 3’-конце, полимераза отсоединяется от исходной цепи.
После того как образовалась дочерняя цепь, между основаниями образуется водородная связь, которая и скрепляет вновь образованную молекулу ДНК.
Если углубиться в строение клеток и тканей, то можно увидеть, что ДНК в основном содержится в отвечает за образование новых, дочерних, клеток или их клонов. При этом находящаяся в нем, разделяется между новообразованными клетками равномерно (образуются клоны) или по частям (часто можно наблюдать такое явление при мейозе). Поражение ядра влечет за собой нарушение образования новых тканей, что приводит к мутации.
Кроме того, особый тип наследственного материала содержится в митохондриях. В них ДНК несколько отличается от таковой в ядре (митохондриальная дезоксирибонуклеиновая кислота имеет кольцевидную форму и выполняет несколько другие функции).
Сама молекула может выделяться из любых клеток организма (для исследования чаще всего используют мазок с внутренней стороны щеки либо кровь). Отсутствует генетический материал только в отшелушивающемся эпителии и некоторых клетках крови (эритроцитах).
Состав молекулы ДНК обуславливает выполнение ею функции передачи информации из поколения в поколение. Это происходит за счет синтеза определенных белков, обуславливающих проявление того или иного генотипического (внутреннего) или фенотипического (внешнего - например, цвет глаз или волос) признака.
Передача информации осуществляется за счет реализации ее из генетического кода. На основании сведений, зашифрованных в генетическом коде, происходит выработка специфических информационных, рибосомальных и транспортных РНК. Каждая из них отвечает за определенное действие - информационная РНК используется для синтеза белков, рибосомальная участвует в сборке белковых молекул, а транспортная образует соответствующие белки.
Любой сбой в их работе или изменение структуры приводят к нарушению выполняемой функции и появлению нетипичных признаков (мутаций).
ДНК-тест на отцовство позволяет определить наличие родственных признаков между людьми.
Для чего в настоящее время может использоваться исследование генетического материала?
Анализ ДНК используется для определения многих факторов или изменений в организме.
В первую очередь исследование позволяет определить наличие врожденных, передающихся по наследству заболеваний. К таким болезням можно отнести синдром Дауна, аутизм, синдром Марфана.
Для определения родственных связей также можно исследовать ДНК. Тест на отцовство уже давно получил широкое распространение во многих, в первую очередь юридических, процессах. Данное исследование назначают при определении генетического родства между внебрачными детьми. Часто этот тест сдают претенденты на наследство при возникновении вопросов со стороны органов власти.
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цели и задачи урока:
План урока:
I. Организационный момент (1-2 мин.)
II. Изучение новой темы (18-25 мин.)
III. Повторение и закрепление материала (10 мин.)
IV . Домашнее задание и подведение итогов (2-5 мин.)
Материалы и оборудование:
Этапы урока |
Действия учителя |
Действия учеников |
| I. Организационный момент (1-2 мин.). | Организация начала урока, раздача тетрадей для проверочных работ, включение слайдовой презентации. | Приветствие учителя, подготовка рабочих мест к уроку. |
| II. Изучение новой темы. 1. Мотивация к изучению темы (1-2 мин.) |
Ознакомление с новой темой. Нацеливает
учащихся на самостоятельное формулирование
целей и задач урока. Вопросы для мотивации к изучению темы: Если мы разрежем яблоко, извлечем семена и посадим их, из этих семян никогда не вырастет рябина. Почему? При затруднении учеников через ряд вопросов подводит к понятию наследственности. А вот как сегодняшняя тема связана с наследственностью мы узнаем, изучив тему и в конце урока попытаемся ответить на заданный вопрос. |
Записывают в тетради тему урока. Слушают учителя, участвуют в определении целей и задач урока, отвечают на вопросы. |
| 2. Нуклеиновые кислоты, состав, структура и функции молекул. (5 мин.) | Фрагмент о молекулах ДНК и РНК из видеофильма “Строение ядра”, модель ДНК. Показывает и объясняет состав и структуру молекул ДНК и РНК, мотивируя учеников к тому, что внимание и запоминание рассказа учителя поможет им при выполнении самостоятельного задания. После показа фильмов задает вопросы по содержанию фильма. | По ходу объяснения делают записи в
тетрадях. После просмотра фильма отвечают на вопросы учителя. |
| 3. Принцип комплементарности в ДНК, самоудвоение ДНК (5 мин.) | Обращает внимание на рисунок ДНК и
просит найти закономерность в расположении
азотистых оснований. Объясняет понятие
комплементарности и закрепляет знания на
примере решения задачи. Просмотр анимационного фильма “Репликация ДНК”. Вопросы по фильму: Благодаря чему ДНК может самоудваиваться? Какое значение имеет репликация ДНК? |
Внимательно слушают и записывают
термины и участвуют в решении задачи. В ходе повторного просмотра фильма при выключенном звуке комментируют процесс и отвечают на вопросы учителя. |
| 4. Сравнение ДНК и РНК. (10 мин.) | Объясняет правила заполнения таблицы.
По ходу выполнения оказывает индивидуальную
помощь и проверяет тесты по ключу. Для снятия усталости во время выполнения задания включается легкая музыка. |
Ззаполняют таблицу “Сравнительная характеристика ДНК и РНК”. Работают индивидуально |
| III. Повторение и закрепление материала. (10 минут) | Объяснение правил выполнения,
ознакомление с критериями оценки. Сбор
выполненных работ по истечении времени. Ознакомление с правильными ответами и их пояснение. |
Выполнение тестов, копирование ответов
в рабочей тетради. Самопроверка ответов по ключу |
| IV. Домашнее задание и подведение итогов (1-2 мин.) | Объявляет домашнее задание и оценки за проверочный тест и за участие на уроке. Подводит итоги урока. | Записывают домашнее задание, подают дневники для выставления отметок. |
ХОД УРОКА
Объявление темы и цели урока. Мотивация учебной деятельности
– Из всего, что нас окружает, самой необъяснимой кажется жизнь. (Слайд 2) Мы привыкли, что она всегда вокруг нас и в нас самих, и потеряли способность удивляться. Но пойдите в лес, взгляните так, будто вы их увидели впервые, на деревья, траву, цветы, на птиц и муравьев, и вас охватит чувство беспомощности перед лицом великой тайны жизни. Неужели во всем этом есть нечто общее, нечто такое, что объединяет все живые существа, будь то человек или невидимый глазом микроб? Что определяет преемственность жизни, ее возрождение вновь и вновь из поколения в поколение? Эти вопросы стары как мир, но только во второй половине ХХ века посчастливилось впервые узнать ответы. В сущности, ответы оказались не слишком сложными и, главное, ослепительно красивыми. О том, как их удалось получить и в чем они состоят, мы узнаем сегодня на уроке. Центральное место в новой науке молекулярной биологии, которая призвана дать ответ на вечный вопрос: “Что такое жизнь?”, занимают молекулы ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты – это тот инструмент, с помощью которого можно проникнуть в тайны природы.
– Сегодня на уроке мы познакомимся с видами нуклеиновых кислот, их структурой и биологической ролью, узнаем об истории открытия и изучения этих важных органических веществ и проведем подготовку к ЕГЭ, так как материал данного урока включен в задания экзаменационной работы по биологии.
План изучения нуклеиновых кислот (Слайд 4)
Строение. (Слайд 12)
История открытия и изучения. (Слайды 5-10)
Виды. (Слайд 11)
–
Нуклеиновые кислоты – это
высокомолекулярные органические соединения. Они
состоят из углерода, водорода, кислорода,
фосфора, азота.
Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г.
швейцарским врачом Ф.Мишером в ядрах лейкоцитов,
входящих в состав гноя. Впоследствии нуклеиновые
кислоты были обнаружены во всех растительных и
животных клетках, бактериях, протистах, грибах и
вирусах.
Они играют центральную роль в хранении и
передаче наследственной информации о свойствах
организма.
В природе существует два вида
нуклеиновых
кислот:
дезоксирибонуклеиновые, или
ДНК, и рибонуклеиновые, или РНК.
Название
произошло от углевода, входящего в состав
нуклеиновых кислот. Молекула ДНК содержит сахар
дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.
В настоящее время известны хромосомальная и
внехромосомальная ДНК и рибосомальная,
информационная и транспортная РНК, которые
участвуют в синтезе белка. ДНК включает
множество генов, определяющих различия в
метаболизме. Например, ДНК бактериальной клетки
кишечной палочки содержит несколько тысяч
различных генов, а у животных и растений – много
больше, причем каждый вид организмов имеет
характерный только для него набор генов. Однако
многие гены – общие для всех организмов, что
подтверждает общность происхождения живых
существ.
ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые соединяются при водородных связей между азотистыми основаниями по принципу комплементарности – это принцип строгова соответствия. Цепи соединены антипаралельно,. Цепи ДНК в силу своей неравномерности распределения водородных связей, цепи закручиваются в спираль. Один виток содержит около 10 нуклеотидов. ДНК главным образом содержится в ядре клетки, но она так же входит в состав пластид и митохондрий. В ее структуре содержится вся генетическая информация. ДНК участвует в ее хранении и реализации. Колличкство ДНК в самотических клетках постоянна в пределах одного вида. ДНК обладает важным свойством репликацией. Репликация ДНК происходит в S период клеточного цикла в интерфазе, при подготовке клетки к делению. Под действием фермента ДНК-полимиразы, молекула ДНК раскручивается и водородные связи разрывыаются. Затем цпи расходятся и служат матрицами для синтеза длчерних цепей. При этом направление синтеза определяется С3 положением. Поэтому на одной зи цепей синтез происходит непрерывно – лидирующая цепь, а на другой цепи синтез происходит в виде фрагментов, которые потом сшиваются – отстающая цепь. Полинуклеотидная цепь ДНК состоит из нуклеотидов. А что является структурными компонентами нуклеотидов?
В состав любого нуклеотида ДНК входит одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), а также сахар дезоксирибоза (C3H10O4) и остаток фосфорной кислоты.
Различаются ли нуклеотиды между собой?
Они отличаются только азотистыми основаниями,
которые попарно имеют близкое химическое
строение: Ц подобен Т (они относятся к
пиримидиновым основаниям), А подобен Г (они
относятся к пуриновым основаниям). А и Г по
размерам несколько больше, чем Т и Ц. В ДНК входят
нуклеотиды только четырех видов.
Как объединяются две полинуклеотидные цепи в
единую молекулу ДНК?
Между азотистыми основаниями нуклеотидов разных
цепей образуются водородные связи (между А и Т –
две, а между Г и Ц – три). При этом А соединяется
водородными связями только с Т, а Г – с Ц. В
результате у всякого организма число адениловых
нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число
гуаниловых – числу цитидиловых. Эта
закономерность получила название правила
Чаргаффа. Благодаря этому свойству
последовательность нуклеотидов в одной цепочке
определяет их последовательность в другой, т.е.
цепи ДНК являются как бы зеркальными отражениями
друг друга. Такое избирательное соединение
нуклеотидов называется комплементарностью, и
это свойство лежит в основе самосборки новой
полинуклеотидной цепи ДНК на базе исходной.
Помимо водородных связей в стабилизации
структуры двойной спирали участвуют и
гидрофобные взаимодействия.
Задание (Слайд): постройте молекулу и-РНК, если участок молекулы ДНК имеет следующее строение:
А – А – Ц – Г – Г – Ц – Г – Т – А – Ц – Г – Т
У – У – Г – Ц – Ц – Г – Ц – А – У – Г – Ц – А – решение.
Необходимо напомнить, что вместо тимина в РНК
содержится урацил (мнемоника: вместо
Тигра-Альбиноса в РНК строится Утка-Альбинос)
Дополнительный вопрос: сколько аминокислотных
звеньев в молекуле белка кодирует данный
участок? Решение: Так как данный участок и-РНК
состоит из 12 нуклеотидов, а одну аминокислоту
кодирует триплет, т. е. тройка нуклеотидов, то
число аминокислотных звеньев равно 12: 3 = 4
РНК - полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение - некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК - нуклеотид (рибонуклеотид) - состоит из остатков трех веществ:
1) азотистого основания,
2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и
3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК
также относятся к классам пиримидинов и
пуринов.
Пиримидиновые основания РНК - урацил, цитозин, пуриновые основания - аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК:
1) информационная
(матричная) РНК -
иРНК (мРНК),
2) транспортная
РНК - тРНК,
3) рибосомная
РНК - рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синт
Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса - 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке.
Функции тРНК:
1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка,
к рибосомам,
2) трансляционный посредник. В клетке встречается
около 40 видов тРНК, каждый из них имеет
характерную только для него последовательность
нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется
несколько внутримолекулярных комплементарных
участков, из-за которых тРНК приобретают
конформацию, напоминающую по форме лист клевера.
У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой
(1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с
ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5).
Аминокислота присоединяется к 3"-концу
акцепторного стебля.
Антикодон - три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
Рибосомные РНК содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса - 1 000 000-1 500 000. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы - органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках.
Функции рРНК:
1) необходимый структурный компонент рибосом и,
таким образом, обеспечение функционирования
рибосом;
2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК;
3) первоначальное связывание рибосомы и
кодона-инициатора иРНК и определение рамки
считывания,
4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.
Функции иРНК:
1) перенос генетической информации от ДНК к
рибосомам,
2) матрица для синтеза молекулы белка,
3) определение аминокислотной
последовательности первичной структуры
белковой молекулы
Чем отличаются составы нуклеотидов ДНК и РНК?
РНК построена из тех же азотистых оснований,
что и ДНК, но вместо тимина в ее состав входит
урацил. Кроме того, углевод нуклеотидов РНК
представлен рибозой.
Как происходит соединение нуклеотидов между
собой в полинуклеотидной цепи
?
В полинуклеотидной цепи соседние нуклеотиды
связаны между собой ковалентными связями,
которые образуются между дезоксирибозой (в
молекуле ДНК) или рибозой (в молекуле РНК) одного
нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого
нуклеотида.
Чем объясняется огромное разнообразие генов в
составе молекулы ДНК
?
Хотя ДНК содержит всего четыре типа разных
нуклеотидов, благодаря различной
последовательности их расположения в длинной
цепочке достигается огромное разнообразие их
сочетаний в молекуле.
Работа по вопросам: (и заполнение таблицы)
По вопросам составляется сравнительная характеристика.
Признаки |
||
| Местонахождение в клетке | ядро, митохондрии, пластиды | ядро, цитоплазма, рибосомы, митохондрии, пластиды |
| Роль в клетке | химическая основа хромосомного
генетического материала (генов); матрица для синтеза ДНК; матрица для синтеза РНК; информация о структуре белка |
иРНК передает код наследственной
информации о первичной структуре белка; рРНК входит в состав рибосом; тРНК переносит аминокислоты к рибосомам; митохондриальная и пластидная ДНК входят в состав этих органоидов |
| Строение | двойная спираль: две комплементарные полинуклеотидные цепи | одинарная полинуклеотидная цепь |
| Мономеры | дезоксирибонуклеотиды | рибонуклеотиды |
III. Обобщение и корректировка знаний
– Проверка правильности заполнения обобщающей таблицы (Слайд 29)
IV. Итоговое тестирование (Слайды 32-33)
1. Молекулы ДНК представляют собой материальную основу наследственности, так как в них закодирована информация о структуре молекул
а – полисахаридов; б – белков; в – липидов; г – аминокислот.
2. В состав нуклеиновых кислот НЕ входят
а – азотистые основания; б – остатки пентоз; в – остатки фосфорной кислоты; г – аминокислоты.
3. Связь, возникающая между азотистыми основаниями двух комплементарных цепей ДНК,
а – ионная; б – пептидная; в – водородная; г – сложноэфирная.
4. Комплементарными основаниями НЕ является пара
а – тимин – аденин; б – цитозин – гуанин; в – цитозин – аденин; г – урацил – аденин.
5. В одном из генов ДНК 100 нуклеотидов с тимином, что составляет 10% от общего количества. Сколько нуклеотидов с гуанином?
а – 200; б – 400; в – 1000; г – 1800.
6. Молекулы РНК, в отличие от ДНК, содержат азотистое основание
а – урацил; б – аденин; в – гуанин; г – цитозин.
7. Благодаря репликации ДНК
а – формируется приспособленность организма к среде обитания;
б – у особей вида возникают модификации;
в – появляются новые комбинации генов;
г – наследственная информация в полном объеме передается от материнской клетки к дочерним во время митоза.
8. Молекулы и-РНК
а – служат матрицей для синтеза т-РНК;
б – служат матрицей для синтеза белка;
в – доставляют аминокислоты к рибосоме;
г – хранят наследственную информацию клетки.
9. Кодовому триплету ААТ в молекуле ДНК соответствует триплет в молекуле и-РНК
а – УУА; б – ТТА; в – ГГЦ; г – ЦЦА.
10. Белок состоит из 50 аминокислотных звеньев. Число нуклеотидов в гене, в котором зашифрована первичная структура этого белка, равно
а – 50; б – 100; в – 150; г – 250.
11. В рибосоме при биосинтезе белка располагаются два триплета и-РНК, к которым в соответствии с принципом комплементарности присоединяются антикодоны
а – т-РНК; б – р-РНК; в – ДНК; г – белка.
12. Какая последовательность правильно отражает путь реализации генетической информации?
а) ген – ДНК – признак – белок;
б) признак – белок – и-РНК – ген – ДНК;
в) и-РНК – ген – белок – признак;
г) ген – и-РНК – белок – признак.
13. Собственные ДНК и РНК в эукариотической клетке содержат а – рибосомы; б – лизосомы; в – вакуоли; г – митохондрии.
14. В состав хромосом входят
а – РНК и липиды; б – белки и ДНК; в – АТФ и т-РНК; г – АТФ и глюкоза.
15. Ученые, которые предположили и доказали, что молекула ДНК – двойная спираль, это
а – И. Ф. Мишер и О. Эвери;
б – М. Ниренберг и Дж. Матеи;
в – Дж. Д. Уотсон и Ф. Крик;
г – Р. Франклин и М. Уилкинс.
Правильные ответы (Слайд): 1б, 2г, 3в, 4в, 5б, 6а, 7г, 8б, 9а, 10в, 11а, 12г, 13г, 14б, 15в.
Выводы.
Использование в оптимальном
сочетании различных элементов ЦОР усиливает
эффективность урока, позволяет обогатить багаж
знаний обучающегося большим количеством
готовых, строго отобранных, соответствующим
образом организованных знаний, развивать
интеллектуальные, творческие способности
учащихся, их умение самостоятельно приобретать
новые знания, работать с различными источниками
информации. Применение различных методических
приемов (например, отключить звук и попросить
ученика прокомментировать процесс, остановить
кадр и предложить продолжить дальнейшее
протекание процесса, попросить объяснить
процесс, применение приемов “вопрос-ответ”,
последовательное выведение объектов на экран и
др.)
позволяет интенсифицировать деятельность
учителя и школьника; повысить качество обучения
предмету; отразить существенные стороны
биологических объектов, выдвинуть на передний
план наиболее важные (с точки зрения учебных
целей и задач) характеристики изучаемых объектов
и явлений природы. Домашние задания различного
характера (поиск информации в Интернете,
подготовка сообщений и презентаций, разработка
проектов и др.) повышают познавательный интерес к
предмету, развивают интеллектуальные умения,
способствуют углублению знаний.
Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе они свиты вместе, т. е. закручены вправо вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль.
Цепи антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны. Каждая цепь днк состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания; находящиеся друг против друга основания двух противоположных цепей двойной спирали связаны между собой водородными связями.
Сахарофосфатные остовы двух цепей двойной спирали хорошо видны на пространственной модели ДНК. Расстояние между сахарофосфатными остовами двух цепей постоянно и равно расстоянию, занимаемому парой оснований, т. е. одним пурином и одним пиримидином. Два пурина занимали бы слишком много места, а два пиримидина - слишком мало для того,чтобы заполнить промежутки между двумя цепями.
Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, чем и объясняется обнаруженная на рентгенограммах периодичность. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, т. е. на 10 пар оснований. Никаких ограничений относительно последовательности нук-леотидов в одной цепи не существует, но в силу правила спаривания оснований эта последовательность в одной цепи определяет собой последовательность нуклеотидов в другой цепи. Поэтому мы говорим, что две цепи двойной спирали комплементарны друг другу.
Уотсон и Крик опубликовали сообщение о своей модели ДНК в журнале « » в 1953 г., а в 1962 г. они вместе с Морисом Уилкинсом были удостоены за эту работу Нобелевской премии. В том же году получили Нобелевскую примию Кендрью и Перуц за свои работы по определению трехмерной структуры белков, также выполненные методом рентгеноструктурного анализа. Розалинду Франклин, умершую от рака ранее присуждения этих премий, не включили в число лауреатов, поскольку Нобелевская премия посмертно не присуждается.
Для того чтобы признать предложенную структуру генетическим материалом, требовалось показать, что она способна: 1) нести в себе закодированную информацию и 2) точно воспроизводиться (реплицироваться). Уотсон и Крик отдавали себе отчет в том, что их модель удовлетворяет этим требованиям. В конце своей первой статьи они сдержанно отметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами специфическое спаривание оснований сразу же позволяет постулировать и возможный механизм копирования для генетического материала».
Во второй статье, опубликованной втом же 1953 г., они обсудили выводы, которые следовали из их модели, в генетическом плане. Это открытие, показавшее, сколь явно структура может быть связана с функцией уже на молекулярном уровне, дало мощный толчок развитию молекулярной биологии.
Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные вещества, состоящие из мононуклеотидов, которые соединены друг с другом в полимерную цепочку с помощью 3",5"- фосфодиэфирных связей и упакованы в клетках определенным образом.
Нуклеиновые кислоты - биополимеры двух разновидностей: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Каждый биополимер состоит из нуклеотидов, различающихся по углеводному остатку (рибозе, дезоксирибозе) и одному из азотистых оснований (урацил, тимин). Соответственно этим различиям нуклеиновые кислоты и получили свое название.
Нуклеиновые кислоты имеют первичную, вторичную и третичную структуру.
Первичной структурой ДНК называют линейную полинуклеотидную цепь, в которой мононуклеотиды соединены 3", 5"-фосфодиэфирными связями. Исходным материалом при сборке цепи нуклеиновой кислоты в клетке является нуклеозид 5"-трифосфат, который в результате удаления β и γ остатков фосфорной кислоты способен присоединить 3"-атом углерода другого нуклеозида. Таким образом, 3"-атом углерода одной дезоксирибозы ковалентно связывается с 5"-атомом углерода другой дезоксирибозы посредством одного остатка фосфорной кислоты и образует линейную полинуклеотидную цепь нуклеиновой кислоты. Отсюда и название: 3", 5"-фосфодиэфирные связи. Азотистые основания не принимают участия в соединении нуклеотидов одной цепи (рис. 1.).
Такое соединение, между остатком молекулы фосфорной кислоты одного нуклеотида и углеводом другого, приводит к образованию пентозо-фосфатного скелета молекулы полинуклеотида, на котором сбоку один за другим присоединяются азотистые основания. Их последовательность расположения в цепях молекул нуклеиновых кислот строго специфична для клеток разных организмов, т.е. носит видовой характер (правило Чаргаффа).
Линейная цепь ДНК, длина которой зависит от числа входящих в цепь нуклеотидов, имеет два конца: один называется 3"-концом и содержит свободный гидроксил, а другой - 5"-концом, содержит остаток фосфорной кислоты. Цепь полярна и может иметь напрвление 5"->3" и 3"->5". Исключением являются кольцевые ДНК.
Генетический "текст" ДНК составлен с помощью кодовых "слов" - триплетов нуклеотидов, называемых кодонами. Участки ДНК, содержащие информацию о первичной структуре всех типов РНК, называют структурными генами.
Полинуклеодитные цепочки ДНК достигают гигантских размеров, поэтому в клетке они упакованы определенным образом.
Изучая состав ДНК, Чаргафф (1949) установил важные закономерности, касающиеся содержания отдельных оснований ДНК. Они помогли раскрыть вторичную структуру ДНК. Эти закономерности называют правилами Чаргаффа. Правила Чаргаффа
Эти правила говорят о том, что при построении ДНК должно соблюдаться довольно строгое соответствие (спаривание) не пуриновых и пиримидиновых оснований вообще, а конкретно тимина с аденином и цитозина с гуанином. На основании этих правил в том числе, в 1953 г. Уотсон и Крик предложили модель вторичной структуры ДНК, получившую название двойной спирали (рис.). |
Вторичная структура ДНК - это двойная спираль, модель которой была предложена Д.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 году.
Предпосылки к созданию модели ДНК
В результате первоначальных анализов сложилось представление, что ДНК любого происхождения содержит все четыре нуклеотида в равных молярных количествах. Однако в 1940-х годах Э. Чаргафф и его сотрудники в результате анализа ДНК, выделенных из разнообразных организмов, ясно показали, что азотистые основания содержатся в них в различных количественных соотношениях. Чаргафф нашел, что, хотя эти соотношения одинаковы для ДНК из всех клеток одного и того же вида организмов, ДНК от разных видов могут заметно различаться по содержанию тех или иных нуклеотидов. Это наводило на мысль, что различия в соотношении азотистых оснований, возможно, связаны с каким-то биологическим кодом. Хотя соотношение отдельных пуриновых и пиримидиновых оснований в различных образцах ДНК оказалось неодинаковым, при сравнении результатов анализов выявилась определенная закономерность: во всех образцах общее количество пуринов было равно общему количеству пиримидинов (А + Г = Т + Ц), количество аденина - количеству тимина (А = Т), а количество гуанина - количеству цитозина (Г = Ц). ДНК, выделенная из клеток млекопитающих, была в целом богаче аденином и тимином и относительно беднее гуанином и цитозином, тогда как у бактерий ДНК была богаче гуанином и цитозином и относительно беднее аденином и тимином. Эти данные составили важную часть фактического материала, на основе которого позднее была построена модель структуры ДНК Уотсона - Крика.
Еще одним важным косвенным указанием на возможную структуру ДНК послужили данные Л. Полинга о строении белковых молекул. Полинг показал, что возможно несколько различных устойчивых конфигураций аминокислотной цепи в белковой молекуле. Одна из распространенных конфигураций пептидной цепи - α-спираль - представляет собой правильную винтообразную структуру. При такой структуре возможно образование водородных связей между аминокислотами, находящимися на смежных витках цепи. Полинг описал α-спиральную конфигурацию полипептидной цепи в 1950 году и высказал предположение, что и молекулы ДНК, вероятно, имеют спиральную структуру, закрепленную водородными связями.
Однако наиболее ценные сведения о строении молекулы ДНК дали результаты рентгеноструктурного анализа. Рентгеновские лучи, проходя сквозь кристалл ДНК, претерпевают дифракцию, т. е. отклоняются в определенных направлениях. Степень и характер отклонения лучей зависят от структуры самих молекул. Дифракционная рентгенограмма (рис. 3) дает опытному глазу ряд косвенных указаний относительно строения молекул исследуемого вещества. Анализ дифракционных рентгенограмм ДНК привел к заключению, что азотистые основания (имеющие плоскую форму) уложены наподобие стопки тарелок. Рентгенограммы позволили выявить в структуре кристаллической ДНК три главных периода: 0,34, 2 и 3,4 нм.
Исходя из аналитических данных Чаргаффа, рентгенограмм, полученных Уилкинсом и исследований химиков, предоставивших сведения о точных расстояниях между атомами в молекуле, об углах между связями данного атома и о величине атомов, Уотсон и Крик начали строить физические модели отдельных составных частей молекулы ДНК в определенном масштабе и "подгонять" их друг к другу с таким расчетом, чтобы полученная система соответствовала различным экспериментальным данным [показать] .
Еще раньше было известно, что в цепи ДНК соседние нуклеотиды соединены фосфодиэфирными мостиками, связывающими 5"-углеродный атом дезоксирибозы одного нуклеотида с 3"-углеродным атомом дезоксирибозы следующего нуклеотида. Уотсон и Крик не сомневались в том, что период 0,34 нм соответствует расстоянию между последовательными нуклеотидами в цепи ДНК. Далее, можно было предполагать, что период 2 нм соответствует толщине цепи. А для того чтобы объяснить, какой реальной структуре соответствует период 3,4 нм, Уотсон и Крик, так же как ранее Полинг, предположили, что цепь закручена в виде спирали (или, точнее, образует винтовую линию, так как спираль в строгом смысле этого слова получается тогда, когда витки образуют в пространстве коническую, а не цилиндрическую поверхность). Тогда период 3,4 нм будет соответствовать расстоянию между последовательными витками этой спирали. Такая спираль может быть очень плотной или же несколько растянутой, т. е. витки ее могут быть пологими или крутыми. Поскольку период 3,4 нм ровно в 10 раз больше расстояния между последовательными нуклеотидами (0,34 нм), ясно, что каждый полный виток спирали содержит 10 нуклеотидов. По этим данным Уотсон и Крик смогли вычислить плотность полинуклеотидной цепи, закрученной в спираль диаметром 2 нм, с расстоянием между витками, равным 3,4 нм. Оказалось, что у такой цепи плотность была бы вдвое меньше фактической плотности ДНК, которая была уже известна. Пришлось предположить, что молекула ДНК состоит из двух цепей - что это двойная спираль из нуклеотидов.
Следующей задачей было, конечно, выяснение пространственных отношений между обеими цепями, образующими двойную спираль. Испробовав на своей физической модели ряд вариантов расположения цепей, Уотсон и Крик нашли, что всем имеющимся данным лучше всего соответствует такой вариант, в котором две полинуклеотидные спирали идут в противоположных направлениях; при этом цепи, состоящие из остатков сахара и фосфата, образуют поверхность двойной спирали, а пурины и пиримидины располагаются внутри. Расположенные друг против друга основания, принадлежащие двум цепям, попарно соединены водородными связями; именно эти водородные связи и удерживают цепи вместе, фиксируя таким образом общую конфигурацию молекулы.
Двойную спираль ДНК можно представить себе в виде винтообразно закрученной веревочной лестницы, так чтобы перекладины ее оставались в горизонтальном положении. Тогда две продольные веревки будут соответствовать цепям из остатков сахара и фосфата, а перекладины - парам азотистых оснований, соединенных водородными связями.
В результате дальнейшего изучения возможных моделей Уотсон и Крик пришли к выводу, что каждая "перекладина" должна состоять из одного пурина и одного пиримидина; при периоде 2 нм (что соответствует диаметру двойной спирали) для двух пуринов не хватило бы места, а два пиримидина не могли бы при этом располагаться достаточно близко друг к другу, чтобы образовать надлежащие водородные связи. Углубленное исследование детальной модели показало, что аденин и цитозин, составляя подходящую по размерам комбинацию, все же не могли бы располагаться таким образом, чтобы между ними образовались водородные связи. Аналогичные сообщения заставили исключить также комбинацию гуанин - тимин, тогда как сочетания аденин - тимин и гуанин - цитозин оказались вполне приемлемыми. Природа водородных связей такова, что аденин образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. Это представление о специфическом спаривании оснований позволяло объяснить "правило Чаргаффа", согласно которому в любой молекуле ДНК количество аденина всегда равно содержанию тимина, а количество гуанина - количеству цитозина. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином - три. Благодаря этой специфичности в образовании водородных связей против каждого аденина в одной цепи в другой оказывается тимин; точно так же против каждого гуанина может находиться только цитозин. Таким образом, цепи комплементарны друг другу, т. е. последовательность нуклеотидов в одной цепи однозначно определяет их последовательность в другой. Две цепи идут в противоположных направлениях, и их концевые фосфатные группы находятся на противоположных концах двойной спирали.
В результате своих исследований, в 1953 году Уотсон и Крик предложили модель строения молекулы ДНК (рис. 3), которая остается актуальной по настоящее время. Согласно модели молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей. Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. В ней соседние нуклеотиды образуют регулярный пентозо-фосфатный остов за счет соединения остатка фосфорной кислоты и дезоксирибозы прочной ковалентной связью. Азотистые основания одной полинуклеотидной цепи при этом располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. Чередование азотистых оснований в полинуклеотидной цепи нерегулярно.
Расположение азотистых оснований в цепи ДНК является комплементарным (от греч. "комплемент" - дополнение), т.е. против аденина (А) всегда оказывается тимин (Т), а против гуанина (Г) - только цитозин (Ц). Это объясняется тем, что А и Т, а также Г и Ц строго соответствуют друг другу, т.е. дополняют друг другу. Такое соответствие задается химической структурой оснований, позволяющей образовать водородные связи в паре пурина и пиримидина. Между А и Т возникают две связи, между Г и Ц - три. Эти связи обеспечивают частичную стабилизацию молекулы ДНК в пространстве. Устойчивость двойной спирали при этом прямо пропорциональна числу связей G≡С, являющихся более стабильными по сравнению со связями А=Т.
Известная последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК позволяет по принципу комплементарности установить нуклеотиды другой цепи.
Кроме того, установлено, что азотистые основания, имеющие ароматическую структуру, в водном растворе располагаются один над другим, формируя как бы стопку монет. Такой процесс формирования стопок из органических молекул называется стекинг. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК рассматриваемой модели Уотсона-Крика имеют аналогичное физико-химическое состояние, их азотистые основания располагаются в виде стопки монет, между плоскостями которых возникают ван-дер-ваальсовы взаимодействия (стекинг-взаимодействия).
Водородные связи между комплементарными основаниями (по горизонтали) и стекинг-взаимодействие между плоскостями оснований в полинуклеотидной цепи за счет ван-дер-ваальсовых сил (по вертикали) обеспечивает молекуле ДНК дополнительную стабилизацию в пространстве.
Сахарофосфатные остовы обеих цепей обращены наружу, а основания внутрь, навстречу друг другу. Направление цепей в ДНК антипараллельно (одна из них имеет направление 5"->3", другая - 3"->5", т.е. 3"-конец одной цепи расположен напротив 5"-конца другой.). Цепи образуют правые спирали с общей осью. Один виток спирали составляет 10 нуклеотидов, размер витка 3,4 нм, высота каждого нуклеотида 0,34 нм, диаметр спирали – 2,0 нм. В результате вращения одной цепи вокруг другой, образуется большая борозда (диаметром около 20 Å) и малая борозда (около 12 Å) двойной спирали ДНК. Такая форма двойной спирали Уотсона-Крика в дальнейшем получила название В-формы. В клетках ДНК обычно существует в В-форме, которая является самой стабильной.
Предложенная модель объясняла многие биологические свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты, в том числе хранение генетической информации и многообразие генов, обеспечиваемое большим разнообразием последовательных сочетаний 4-х нуклеотидов и фактом существования генетического кода, способность к самовоспроизведению и передаче генетической информации, обеспечиваемое процессом репликации, и реализацию генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов.
Oсновные функции ДНК.
ДНК может формировать несколько типов двойных спиралей (рис.4). В настоящее время уже известно шесть форм (от А до Е и Z-форма).
Структурные формы ДНК, как установила Розалинда Франклин, зависят от насыщения водой молекулы нуклеиновой кислоты. В исследованиях волокон ДНК при помощи рентгеноструктурного анализа было показано, что рентгенограмма радикальным образом зависит от того, при какой относительной влажности, при какой степени насыщения водой этого волокна происходит эксперимент. Если волокно было достаточно насыщено водой, то получалась одна рентгенограмма. При высушивании возникала совершенно другая рентгенограмма, сильно отличающаяся от рентгенограммы волокна высокой влажности.
Молекула ДНК высокой влажности получила название В-формы . При физиологических условиях (низкая концентрация соли, высокая степерь гидратации) доминирующим структурным типом ДНК является В-форма (основная форма двухцепочечной ДНК - модель Уотсона-Крика). Шаг спирали такой молекулы равен 3,4 нм. На виток приходится 10 комплементарных пар в виде скрученных стопок "монет" - азотистых оснований. Стопки удерживаются водородными связями между двумя противолежащими "монетами" стопок, и "обмотаны" двумя лентами фосфодиэфирного остова, закрученными в правую спираль. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36°. Диаметр спирали 20Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12Å, а пиримидиновый - 8Å.
Молекула ДНК более низкой влажности получила название А-формы . А-форма образуется в условиях менее высокой гидратации и при более высоком содержании ионов Na + или К + . Эта более широкая правоспиральная конформация имеет 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований имеют более сильный наклон к оси спирали, они отклонены от нормали к оси спирали на 20°. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,23 нм, длина витка – 2,5 нм, диаметр спирали – 2,3 нм.
Первоначально считали, что А-форма ДНК менее важна. Однако в дальнейшем выяснилось, что А-форма ДНК, также как и В-форма, имеет огромное биологическое значение. А-форму имеет спираль РНК-ДНК в комплексе матрица-затравка, а также спираль РНК-РНК и шпилечные структуры РНК (2’-гидроксильная группа рибозы не позволяет молекулам РНК образовывать В-форму). А-форма ДНК обнаружена в спорах. Установлено, что А-форма ДНК в 10 раз устойчивее к действию УФ-лучей, чем В-форма.
А-форму и В-форму называют каноническими формами ДНК.
Формы С-Е также правоспиральные, их образование можно наблюдать только в специальных экспериментах, и, по-видимому, они не существуют in vivo. С-форма ДНК имеет структуру, сходную с В-ДНК. Число пар оснований на виток составляет 9,33, длина витка спирали равна 3,1 нм. Пары оснований наклонены на угол 8 градусов относительно перпендикулярного положения к оси. Желобки по размерам близки к желобкам В-ДНК. При этом главный желобок несколько мельче, а минорный желобок – глубже. В С-форму могут переходить природные и синтетические полинуклеотиды ДНК.
| Таблица 1. Характеристика некоторых типов структур ДНК | |||
| Тип спирали | A | B | Z |
| Шаг спирали | 0,32 нм | 3,38 нм | 4,46 нм |
| Закрученность спирали | Правая | Правая | Левая |
| Число пар оснований на виток | 11 | 10 | 12 |
| Расстояние между плоскостями оснований | 0,256 нм | 0,338 нм | 0,371 нм |
| Конформация гликозидной связи | анти | анти | анти-С син-Г |
| Конформация фуранозного цикла | С3"-эндо | С2"-эндо | С3"-эндо-Г С2"-эндо-Ц |
| Ширина бороздки, малой/большой | 1,11/0,22 нм | 0,57/1,17 нм | 0,2/0,88 нм |
| Глубина бороздки, малой/большой | 0,26/1,30 нм | 0,82/0,85 нм | 1,38/0,37 нм |
| Диаметр спирали | 2,3 нм | 2,0 нм | 1,8 нм |
К структурным элементам ДНК можно отнести необычные структуры, ограниченные какими-то специальными последовательностями:
|
Z-форма ДНК была открыта в 1979 году при изучении гексануклеотида d(CG)3 - . Ее открыл профессор Массачусетского технологического института Александр Рич с сотрудниками. Z-форма стала одним из важнейших структурных элементов ДНК в связи с тем, что ее образование наблюдалось в участках ДНК, где пурины чередуются с пиримидинами (например, 5’-ГЦГЦГЦ-3’), или в повторах 5’-ЦГЦГЦГ-3’, содержащих метилированный цитозин. Существенным условием образования и стабилизации Z-ДНК являлось присутствие в ней пуриновых нуклеотидов в син-конформации, чередующихся с пиримидиновыми основаниями в анти-конформации.
Природные молекулы ДНК в основном существуют в правой В-форме, если они не содержат последовательностей типа (ЦГ)n. Однако, если такие последовательности входят в состав ДНК, то эти участки при изменении ионной силы раствора или катионов, нейтрализующих отрицательный заряд на фосфодиэфирном каркасе, могут переходить в Z-форму, при этом другие участки ДНК в цепи остаются в классической В-форме. Возможность такого перехода указывает на то, что две цепи в двойной спирали ДНК находятся в динамическом состоянии и могут раскручиваться друг относительно друга, переходя из правой формы в левую и наоборот. Биологические следствия такой лабильности, допускающей конформационные превращения структуры ДНК пока не вполне понятны. Полагают, что участки Z-ДНК играют определенную роль в регуляции экспрессии некоторых генов и принимают участие в генетической рекомбинации.
Z-форма ДНК - это левозакрученная двойная спираль, в которой фосфодиэфирный остов расположен зигзагообразно вдоль оси молекулы. Отсюда и название молекулы (zigzag)-ДHK. Z-ДНК - наименее скрученная (12 пар оснований на виток) и наиболее тонкая из известных в природе. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,38 нм, длина витка – 4,56 нм, диаметр Z-ДНК – 1,8 нм. Кроме того, внешний вид этой молекулы ДНК отличается наличием одной бороздки.
Z-форма ДНК была обнаружена в клетках прокариот и эукариот. В настоящее время получены антитела, способные отличать Z-форму от В-формы ДНК. Эти антитела связываются с определенными участками гигантских хромосом клеток слюнных желез дрозофилы (Dr. melanogaster). За реакцией связывания легко следить из-за необычного строения этих хромосом, у которых более плотные участки (диски) контрастируют с менее плотными (междисками). Участки Z-ДНК расположены в междисках. Из этого следует, что Z-форма реально существует в естественных условиях, хотя размеры индивидуальных участков Z-формы пока неизвестны.
(перевертыши) - наиболее известные и часто встречающиеся в ДНК последовательности оснований. Палиндромом называют слово или фразу, которое читается слева направо и наоборот одинаково. Примерами таких слов или фраз являются: ШАЛАШ, КАЗАК, ПОТОП, А РОЗА УПАЛА НА ЛАПУ АЗОРА. В применении к участкам ДНК данный термин (палиндром) означает одинаковое чередование нуклеотидов вдоль цепи справа налево и слева направо (подобно буквам в слове "шалаш" и пр.).
Палиндром характеризуется наличием инвертированных повторов последовательностей оснований имеющих симметрию второго порядка относительно двух цепей ДНК. Такие последовательности, по вполне понятной причине, являются самокомплементарными и имеют склонность к образованию шпилечных или крестообразных структур (рис.). Шпильки помогают регуляторным белкам узнавать место списывания генетического текста ДНК хромосом.
В тех случаях, когда инвертированный повтор присутствует в одной и той же цепи ДНК такая последовательность называется зеркальным повтором. Зеркальные повторы не обладают свойствами самокомплементарности и, поэтому не способны к формированию шпилечных или крестообразных структур. Последовательности такого типа обнаружены практически во всех крупных молекулах ДНК и могут включать от всего нескольких пар оснований до нескольких тысяч пар оснований.
Присутствие палиндромов в виде крестообразных структур в эукариотических клетках не доказано, хотя некоторое количество крестообразных структур обнаружено в условиях in vivo в клетках E. coli. Наличие в составе РНК или одноцепочечных ДНК самокомплементарных последовательностей служит основной причиной сворачивания в растворах нуклеиновой цепи в определенную пространственную структуру, отличающуюся формированием множества "шпилек".
Н-форма ДНК - это спираль, которую образуют три цепи ДНК - тройная спираль ДНК. Представляет собой комплекс уотсон-криковской двойной спирали с третьей одноцепочечной нитью ДНК, которая укладывается в ее большой желобок, с образованием так называемой хугстиновской пары.
Образование подобного триплекса происходит в результате сложения двойной спирали ДНК таким образом, что половина ее участка остается в виде двойной спирали, а вторая половина разъединяется. При этом одна из разъединенных спиралей образует новую структуру с первой половиной двойной спирали - тройную спираль, а вторая оказывается неструктурированной, в виде однонитевого участка. Особенностью этого структурного перехода является резкая зависимость от рН среды, протоны которой стабилизируют новую структуру. В силу этой особенности новая структура получила название Н-формы ДНК, образование которой было обнаружено в сверхспирализованных плазмидах, содержащих гомопурин-гомопиримидиновые участки, представляющие собой зеркальный повтор.
В дальнейших исследованиях была установлена возможность осуществления структурного перехода некоторых гомопурин-гомопиримидиновых двунитиевых полинуклеотидов с образованием трехнитиевой структуры, содержащей:
Составляющие блоки Py-Pu-Py триплекса - канонические изоморфные CGC+ и TAT триады. Стабилизация триплекса требует протонирования триады CGC+, поэтому эти триплексы зависят от рН раствора.
Составляющие блоки Py-Pu-Pu триплекса - канонические изоморфные CGG и TAA триад. Существенным свойством Py-Pu-Pu триплексов является зависимость их стабильности от присутствия двухзарядных ионов, причем для стабилизации триплексов разной последовательности необходимы различные ионы. Поскольку для образования Py-Pu-Pu триплексов не требуется протонирования входящих в их состав нуклеотидов, такие триплексы могут существовать при нейтральных pH.
Прим.: прямое и обратное хугстиновское взаимодействие объясняется симметрией 1-метилтимина: поворот на 180° приводит к тому, что место атома О4 занимает атом О2, при этом система водородных связей сохраняется.
Известны два вида тройных спиралей:
G-квадруплекс - 4-х спиральная ДНК. Такая структура образуется в случае, если имеются четыри гуанина, которые образуют так называемый G-квадруплекс - хоровод из четырех гуанинов.
Первые намеки на возможность образования таких структур были получены задолго до прорывной работы Уотсона и Крика - еще в 1910 году. Тогда немецкий химик Ивар Банг обнаружил, что один из компонентов ДНК - гуанозиновая кислота - при высоких концентрациях образует гели, в то время как другие составные части ДНК таким свойством не обладают.
В 1962 году с помощью рентгеноструктурного метода удалось установить структуру ячейки этого геля. Она оказалась составлена из четырех остатков гуанина, связывающих друг друга по кругу и образующих характерный квадрат. В центре связь поддерживает ион металла (Na, K, Mg). Такие же структуры могут образовываться и в ДНК, если в ней много гуанина. Эти плоские квадраты (G-квартеты) складываются в стопки, и получаются довольно устойчивые, плотные структуры (G-квадруплексы).
В четырехспиральные комплексы могут сплетаться четыре отдельные цепочки ДНК, но это скорее является исключением. Чаще единственная нить нуклеиновой кислоты просто завязывается в узел, образуя характерные утолщения (например, на концах хромосом), либо двуцепочечная ДНК на каком-то богатом гуанином участке образует локальный квадруплекс.
Наиболее изучено существование квадруплексов на концах хромосом - на теломерах и в онкопромоторах. Однако до сих пор полное представление о локализации такой ДНК в человеческих хромосомах не известно.
Все эти необычные структуры ДНК в линейной форме нестабильны по сравнению с В-формой ДНК. Однако ДНК часто существует в кольцевой форме топологического напряжения, когда у нее имеется так называемая сверхспирализация. В этих условиях легко образуются неканонические структуры ДНК: Z-формы, "кресты" и "шпильки", H-формы, гуаниновые квадруплексы и i-мотив.
Третичная структура ДНК образуется в результате дополнительного скручивания в пространстве двуспиральной молекулы - ее суперспирализации. Суперспирализации молекулы ДНК в эукариотических клетках в отличие от прокариот осуществляется в форме комплексов с белками.
ДНК эукариот почти вся находится в хромосомах ядер, лишь небольшое количество ее содержится в митохондриях, а у растений и в пластидах. Основное вещество хромосом эукариотических клеток (в том числе и хромосом человека) - это хроматин, состоящий из двухцепочечной ДНК, гистоновых и негистоновых белков.
Гистоновые белки хроматина
Гистоны - простые белки, составляют до 50% хроматина. Во всех изученных клетках животных и растений обнаружено пять основных классов гистонов: H1, H2A, H2B, H3, H4, различающихся по размерам, аминокислотному составу и величине заряда (всегда положительный).
Гистон Н1 млекопитающих состоит из одной полипептидной цепи, содержащей примерно 215 аминокислот; размеры других же гистонов варьируют от 100 до 135 аминокислот. Все они спирализованы и скручены в глобулу диаметром около 2,5 нм, содержат необычно большое количество положительно заряженных аминокислот лизина и аргинина. Гистоны могут быть ацетилированы, метилированы, фосфорилированы, поли(АДФ)-рибозилированы, а гистоны Н2А и Н2В – ковалентно связаны с убиквитином. Какова роль таких модификаций в становлении структуры и выполнении функций гистонами до конца пока не выяснено. Предполагается, что в этом заключается их способность взаимодействовать с ДНК и обеспечивать один из механизмов регуляции действия генов.
Гистоны взаимодействуют с ДНК в основном через ионные связи (солевые мостики), образующиеся между отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК и положительно заряженными лизиновыми и аргининовыми остатками гистонов.
Негистоновые белки хроматина
Негистоновые белки в отличие от гистонов очень разнообразны. Выделено до 590 разных фракций ДНК-связывающих негистоновых белков. Их еще называют кислыми белками, так как в их структуре преобладают кислые аминокислоты (они являются полианионами). С разнообразием негистоновых белков связывают специфическую регуляцию активности хроматина. Например ферменты, необходимые для репликации и экспрессии ДНК, могут связываться с хроматином временно. Другие белки, скажем, принимающие участие в различных процессах регуляции, связываются с ДНК только в специфических тканях или на определенных стадиях дифференциации. Каждый белок комплементарен определённой последовательности нуклеотидов ДНК (сайт ДНК). К этой группе относят:
При участии структурных, регуляторных белков и ферментов, участвующих в синтезе ДНК и РНК, нить нуклеосом преобразуется в высококонденсированный комплекс белков и ДНК. Образованная структура в 10 000 раз короче исходной молекулы ДНК.
Хроматин
Хроматин - это комплекс белков с ядерной ДНК и неорганическими веществами. Основная часть хроматина неактивна. Она содержит плотно упакованную, конденсированную ДНК. Это гетерохроматин. Различают конститутивный, генетически неактивный хроматин (сателлитная ДНК) состоящий из неэкспрессируемых областей, и факультативный - неактивный в ряду поколений, но при определенных обстоятельствах способный эспрессировать.
Активный хроматин (эухроматин) неконденсированный, т.е. упакован менее плотно. В разных клетках его содержание составляет от 2 до 11%. В клетках головного мозга его больше всего - 10-11%, в клетках печени - 3-4 и почек - 2-3%. Отмечается активная транскрипция эухроматина. При этом его структурная организация позволяет использовать одну и ту же генетическую информацию ДНК, присущую данному виду организма, по-разному в специализированных клетках.
В электронном микроскопе изображение хроматина напоминает бусы: шаровидные утолщения размером около 10 нм, разделенные нитевидными перемычками. Эти шаровидные утолщения названы нуклеосомами. Нуклеосома является структурной единицей хроматина. Каждая нуклеосома содержит сверхспиральный сегмент ДНК длиной 146 пар нуклеотидов, намотанный с образованием 1,75 левых витков на нуклеосомный кор. Нуклеосомный кор – это гистоновый октамер, состоящий из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по две молекулы каждого вида (рис. 9), который выглядит как диск диаметром 11 нм и толщиной 5,7 нм. Пятый гистон, Н1, не входит в состав нуклеосомного кора и не участвует в процессе наматывания ДНК на гистоновый октамер. Он контактирует с ДНК в тех местах, где двойная спираль входит и выходит из нуклеосомного кора. Это межкоровые (линкерные) участки ДНК, длина которых варьирует в зависимости от типа клеток от 40 до 50 нуклеотидных пар. В результате этого варьирует и длина фрагмента ДНК, входящего в состав нуклеосом (от 186 до 196 нуклеотидных пар).
В состав нуклеосом входит примерно 90% ДНК, остальная ее часть приходится на линкер. Считается, что нуклеосомы - это фрагменты "молчащего" хроматина, а линкер - активного. Однако нуклеосомы могут развертываться и переходить в линейную форму. Развернутые нуклеосомы являются уже активным хроматином. Так наглядно проявляется зависимость функции от структуры. Можно считать, что чем больше хроматина находится в составе глобулярных нуклеосом, тем менее он активен. Очевидно, в разных клетках неодинаковая доля покоящегося хроматина связана с количеством таких нуклеосом.
На электронно-микроскопических фотографиях в зависимости от условий выделения и степени растяжения хроматин может выглядеть не только как длинная нить с утолщениями – "бусинками" нуклеосом, но и как более короткая и более плотная фибрилла (волокно) диаметром 30 нм, образование которой наблюдается при взаимодействии гистона Н1, связанного с линкерным участком ДНК и гистона Н3, что приводит к дополнительному скручиванию спирали из шести нуклеосом на виток с образованием соленоида диаметром 30 нм. При этом гистоновый белок может препятствовать транскрипции ряда генов и таким образом регулировать их активность.
В результате описанных выше взаимодействий ДНК с гистонами сегмент двойной спирали ДНК из 186 пар оснований со средним диаметром 2 нм и длиной 57 нм превращается в спираль диаметром 10 нм и длиной 5 нм. При последующем сжатии этой спирали до волокна диаметром 30 нм степень конденсации увеличивается еще в шесть раз.
В конечном итоге упаковка дуплекса ДНК с пятью гистонами приводит к 50-кратной конденсации ДНК. Однако даже столь высокая степень конденсации не может объяснить почти 50 000 - 100 000-кратное уплотнение ДНК в метафазной хромосоме. К сожалению детали дальнейшей упаковки хроматина вплоть до метафазной хромосомы пока не известны, поэтому можно рассматривать лишь общие особенности этого процесса.
Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом, которые располагаются в ядре клетки. Общая длина ДНК всех хромосом клетки составляет 1,74 м, однако диаметр ядра, в которое упакованы хромосомы, в миллионы раз меньше. Такая компактная укладка ДНК в хромосомах и хромосом в ядре клетки обеспечивается разнообразными, гистоновыми и негистоновыми белками, взаимодействующими в определенной последовательности с ДНК (см выше). Компактизация ДНК в хромосомах позволяет уменьшить ее линейные размеры примерно в 10 000 раз - условно с 5 см до 5 мкм. Выделяют несколько уровней компактизации (рис. 10).
Нуклеосомный уровень компактизации обеспечивается специальными белками - гистонами. Восемь положительно заряженных гистоновых доменов образуют кор (сердцевину) нуклеосомы на которую наматывается отрицательно заряженная молекула ДНК. Это дает укорочение в 7 раз, при этом диаметр увеличивается с 2 до 11 нм.
Соленоидный уровень организации хромосом характеризуется скручиванием нуклеосомной нити и образованием из нее более толстых фибрилл 20-35 нм в диаметре - соленоидов или супербидов. Шаг соленоида равен 11 нм, на один виток приходится около 6-10 нуклеосом. Соленоидная упаковка считается наиболее вероятной, чем супербидная, согласно которой фибрилла хроматина диаметром 20-35 нм представляет собой цепь гранул, или супербидов, каждая из которых состоит из восьми нуклеосом. На соленоидном уровне линейный размер ДНК сокращается в 6-10 раз, диаметр увеличивается до 30 нм.
Петлевой уровень обеспечивается негистоновыми сайт-специфическими ДНК-связывающими белками, которые распознают определенные последовательности ДНК и связываются с ними, образуя петли примерно по 30-300 тысяч пар оснований. Петля обеспечивает экспрессию генов, т.е. петля является не только структурным, но и функциональным образованием. Укорочение на этом уровне происходит в 20-30 раз. Диаметр увеличивается до 300 нм. Петлеобразные структуры типа "ламповых щеток" в ооцитах земноводных можно видеть на цитологических препаратах. Эти петли, видимо, суперспирализованы и представляют собой домены ДНК, соответствующие, вероятно, единицам транскрипции и репликации хроматина. Специфические белки фиксируют основания петель и, возможно, некоторые их внутренние участки. Петлеобразная доменная организация способствует укладке хроматина в метафазных хромосомах в спиральные структуры более высоких порядков.
Доменный уровень организации хромосом изучен недостаточно. На данном уровне отмечается образование петлевых доменов - структур из нитей (фибрилл) толщиной 25-30 нм, которые содержат 60% белка, 35% ДНК и 5% РНК, практически не видны во всех фазах клеточного цикла за исключением митоза и несколько беспорядочно распределены по клеточному ядру. Петлеобразные структуры типа "ламповых щеток" в ооцитах земноводных можно видеть на цитологических препаратах.
Петлевые домены своим основанием прикрепляются к внутриядерному белковому матриксу в так называемых встроенных местах прикрепления, часто обозначаемых как MAR/SAR-последовательности (MAR, от англ. matrix associated region; SAR, от англ. scaffold attachment regions) – фрагментах ДНК протяженностью в несколько сотен пар оснований, которые характеризуются высоким содержанием (>65%) А/Т пар нуклеотидов. Каждый домен, по-видимому, имеет одну точку начала репликации и функционирует как автономная сверхспиральная единица. Любой петельный домен содержит множество единиц транскрипции, функционирование которых, вероятно, координируется – весь домен находиться либо в активном, либо в неактивном состоянии.
На доменном уровне в результате последовательной упаковки хроматина присходит уменьшение линейных размеров ДНК примерно в 200 раз (700 нм).
На хромосомном уровне происходит конденсация профазной хромосомы в метафазную с уплотнением петельных доменов вокруг осевого каркаса негистоновых белков. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул H1. В результате метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель. Толщина такой структуры достигает 1400 нм (две хроматиды), а молекула ДНК при этом укорачивается в 104 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм.
Во взаимодействии с внехромосомными механизмами хромосомы обеспечивают
Существуют данные, что при активировании участка хроматина, т.е. при транскрипции, с него обратимо удаляются сначала гистон H1, а затем и октет гистонов. Это вызывает деконденсацию хроматина, последовательный переход 30-нанометровой фибриллы хроматина в 10-нанометровую нить и ее дальнейшее разворачивание в участки свободной ДНК, т.е. утрату нуклеосомной структуры.
