Гены, ДНК и РНК: понятие, структура, репликация, мутации

Молекула ДНКПонятие ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) присутствует в клетках почти всех живых существ и образует сложные последовательности — гены, которые программируют и регулируют функционирование организма.

Молекулу ДНК впервые обнаружил в 1869 году швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Поскольку он выделил эту молекулу из ядра клетки, Мишер назвал её нуклеином (от латинского nucleus — «ядро»). Спустя несколько лет была открыта кислотная природа нуклеина, и молекула получила название нуклеиновая кислота. Но прошло ещё почти 80 лет, прежде чем двое молодых учёных поняли, как действует ДНК, раскрыв тайну её структуры.

Речь идёт об англичанине Фрэнсисе Крике (1916-2004) и американце Джеймсе Уотсоне (р. 1928), которые сделали свои революционные открытия в 1950-е годы в Кембриджском университете (Англия).

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик

Джеймс Уотсон (слева) и Фрэнсис Крик — первооткрыватели структуры молекулы ДНК. В знак признания их заслуг в 1962 году им обоим была присуждена Нобелевская премия в области медицины

В то время ДНК являлась предметом многочисленных исследований, но никому до конца не удавалось расшифровать её структуру. Из результатов, полученных их коллегами, Крик и Уотсон знали, какие химические элементы входят в состав ДНК, но не могли уяснить, как они соединяются друг с другом. Ответ на этот вопрос дала англичанка Розалинда Франклин (1920-1958).

Розалинда Франклин

Розалинда Франклин была кристаллографом, а её работы по получению изображения ДНК сыграли решающую роль в расшифровке структуры «молекулы жизни»

В 1951 году Франклин работала в биофизической лаборатории Кингс-колледжа (Лондон), исследуя дифракцию рентгеновских лучей — метод, позволяющий получить молекулярное изображение химических веществ. Она использовала данный приём для изучения ДНК и расшифровала базовое строение этого химического соединения. На основе этой информации и данных, взятых из других источников, Крик и Уотсон построили первую подробную модель молекулы ДНК. Они опубликовали полученные результаты в 1953 году.

Изучение молекулы ДНК

С помощью увеличительного стекла учёный изучает авторадиограмму последовательности ДНК, на основании которой он сможет определить уникальный генетический «отпечаток» данного человека

Структура ДНК

Уотсон и Крик продемонстрировали, что по своей форме молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, образующую двойную спираль. Каждая боковина «лестницы» состоит из многочисленных молекул сахара (дезоксирибозы), соединённых группами фосфатов. Эта сахарофосфатная цепь играет роль «кирпичика» в молекуле ДНК. «Перекладины» разделены надвое, при этом каждую половинку представляет один из четырёх химических элементов, называемых основаниями: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т). Основания прочно крепятся к боковинам, но очень слабо — к середине перекладин.

Соединения аденин и гуанин имеют два кольца и относятся к пуринам, имеющим отношение к мочевой кислоте (они присутствуют в моче). Цитозин и тимин — однокольцевые соединения, называемые пиримидинами (некоторые витамины группы В имеют структуру пиримидинов). Аденин всегда объединяется в пары с тимином, а гуанин — с цитозином, формируя полные поперечины лестницы ДНК. Вместе с сахарофосфатным «каркасом» каждая пара образует нуклеотид — основную единицу ДНК.

Указанные четыре основания — важнейшая часть молекулы ДНК, так как они содержат генетический код каждой клетки. Комбинации оснований определяют время формирования различных белков и задают функции клеток организма.

Хромосомы

Изучение хромосом человека

На этой фотографии с усиленной расцветкой показаны хромосомы человека, состоящие из цепочек ДНК и белков (изображение увеличено примерно в 4000 раз). Эти нитевидные структуры присутствуют в каждой клетке человеческого организма

Хромосомы представляют собой длинные цепочки ДНК и белков, которые, соединяясь, образуют хроматин. ДНК плотно сжата в ядре клетки, а связующие белки (гистоны) образуют структуру, известную как нуклеосома. Нуклеосомы соединяются дополнительными цепями ДНК — так называемыми связующими ДНК. Хромосомы постоянно присутствуют в ядре, но обнаруживаются только в процессе деления клетки.

Гены

Определённые последовательности пар оснований молекулы ДНК в хромосомах образуют гены. Эти единицы наследственности определяют, что новое поколение унаследует от своих предков. Например, конкретный ген отвечает за цвет глаз человека или окраску цветка у растений. Эти структуры также регулируют клеточную активность — они определяют, какие белки и когда формируются, а также количество и тип белков.

Разные клетки содержат одинаковые наборы генов, но только отдельные гены активны в каждой клетке. Так, мышечная клетка содержит те же гены, что и клетка мозга, но использует только те, что необходимы для её нормального функционирования.

Репликация

Клеточное деление происходит непрерывно. Но перед делением клетки копируют свои ДНК, чтобы обе дочерние клетки имели точно такое же количество ДНК, что и родительская. Этот процесс — репликация ДНК — включает раскручивание «лестницы» ДНК и разделение по центру каждой её «поперечины» — аналогично расстёгиванию застёжки-молнии. После этого каждая половинка может образовывать пару с комплементарными основаниями, присутствующими в протоплазме клетки в виде свободно плавающих нуклеотидов. Пары оснований соединяются, как указано выше (А с Т и Г с Ц), формируя две идентичные двойные спирали, наполовину состоящие из старой и наполовину — из новой ДНК.

Следуя инструкциям, закодированным последовательностью пар оснований на молекуле ДНК, клетки создают белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот — полипептид, образующих сложные трёхмерные структуры. Определённые последовательности пар оснований действуют как коды для простых молекул, называемых аминокислотами.

Организм человека содержит около 20 аминокислот. Три пары оснований составляют кодон, представляющий разные аминокислоты. Поскольку имеется четыре вида связанных друг с другом оснований, число кодонов составляет 4х4х4 = 64. Аминокислоты кодируются 61 из 64 кодонов. То есть кодонов больше, чем требуется для имеющихся аминокислот, хотя все они задействованы. Одни аминокислоты (например, метионин) представлены единственным кодоном — последовательностью основания тимин-аденин-цитозин (ТАЦ). Другие — несколькими (максимум шестью) кодонами. Так, аминокислоте аргинин соответствуют кодоны ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ, ТЦТ и ТЦЦ. Три оставшихся кодона (АТТ, АТЦ и АЦТ) означают конец белковой цепочки.

Матричные РНК

Клетка следует генетическому коду в процессе транскрипции, во время которой ДНК «расстёгивается», как при описанном выше делении клетки. Однако в этом случае репликации не происходит, а закодированные в цепи ДНК инструкции передаются матричной, или информационной, рибонуклеиновой кислоте (мРНК), молекула которой подобна молекуле ДНК, но содержит другой сахар — рибозу. Кроме того, у неё иная комбинация оснований: те же пурины, что и у ДНК (аденин и гуанин), но, в отличие от последнего, здесь основание урацил заменяет пиримидиновое основание тимин.

После окончания синтеза цепь мРНК переходит из ядра в органоиды клетки — рибосомы. Здесь белки формируются из аминокислот, которые кодируются в молекуле мРНК в процессе трансляции. Фактически при синтезе белков используется РНК другого типа — транспортная (тРНК). Эта молекула соединяется с каждой отдельной аминокислотой, образуя всё удлиняющуюся цепь, которая затем становится новой молекулой белка.

Центральная догма биологии

Фрэнсис Крик назвал совокупность транскрипции и трансляции «центральной догмой биологии». Несмотря на прогресс в молекулярной биологии, его представление в целом остаётся справедливым.

Поражает способность ДНК в точности копировать себя, если учесть, например, что ядро каждой клетки организма человека содержит более 3,3 млрд. пар оснований. Но иногда ДНК не воспроизводит свою точную копию. В результате живые существа могут приобрести новые физические признаки, что в конечном итоге приводит к эволюции совершенно нового вида. Это не всегда желательно, и многие изменения ДНК (мутации) являются причинами таких болезней, как неуправляемое размножение клеток (рак), и различных генетических нарушений.

Мутации могут вызывать разные причины — от простых замен оснований в репликации ДНК до экологических факторов, таких как ультрафиолетовое излучение солнца и курение. Хотя у ДНК есть механизмы обнаружения и репарации (восстановления) повреждённых ДНК, считается, что у каждого человека присутствуют сотни унаследованных от родителей мутаций плюс в среднем ещё 30 приобретённых в течение жизни. К счастью, большинство мутаций мало влияют на наш организм, а некоторые из них могут даже улучшить его функционирование.

Раскрытие преступлений

«Отпечатки» ДНК позволяют идентифицировать комбинации оснований в её молекуле. Повторяющиеся последовательности ДНК уникальны у людей (исключение — однояйцовые близнецы), поэтому образцы ДНК могут служить средством идентификации: индивидуальные последовательности ДНК, обнаруженной на месте преступления, можно сравнить с образцами подозреваемого и почти в 100 % случаев узнать, был ли он там.

При взятии «отпечатка» ДНК очищают от образца материала-источника — лейкоцитов, спермы, костной ткани. Затем с помощью ферментов ДНК «нарезается» на фрагменты разной длины. Их кладут раздельно на слой прозрачного геля, после чего туда подаётся электрический ток.

Поскольку фрагменты ДНК имеют небольшой отрицательный заряд, они смещаются к положительному электроду. При этом чем меньше длина фрагментов, тем быстрее они двигаются, оказываясь разбросанными по поверхности геля.

Эти фрагменты попадают на нейлоновую мембрану, где их маркируют радиоактивными метками. Если к мембране поднести рентгеновскую плёнку, тёмные участки на ней будут соответствовать меченым ДНК. На проявленной плёнке чёрные полосы покажут точное расположение фрагментов ДНК на нейлоновой мембране. Подозреваемого в совершении преступления можно попросить дать образец его ДНК для сравнительного анализа. Если оба «отпечатка» совпадают, следствие получит важнейшие улики.

Проект изучения генома человека

Фрагменты молекулы ДНК

Эти фрагменты ДНК, полученные в центре Сангера, используются сегодня для классификации генов человека

В октябре 1990 года была создана Организация по изучению генома человека (HUGO) — огромный научный институт, где работают исследователи из Европейского сообщества, США, России, Канады, Японии, Китая и ряда стран Южной Америки. Их цель — идентификация полного генетического состава, или генома, организма человека.

В ноябре 1999 года удалось достичь большого успеха, когда группа учёных центра Сангера в Кембридже (Англия) объявила о прочтении всех 34 млн. оснований, составляющих генетический материал хромосомы 22. Они опубликовали полученные данные в научном журнале «Нейчур» и поместили результаты исследований в Интернете. После завершения проекта в 2003 году учёные могли обнаруживать и описывать 99 % генсодержащих ДНК человека. Это выдающееся достижение должно помочь в лечении наследственных болезней.

Знаете ли вы?

  • Если вытянуть в линию ДНК всего лишь одной клетки человека, получится отрезок длиной 2 метра. Ширина ДНК составляет триллионные доли сантиметра, но её длина в миллионы раз превышает диаметр ядра клетки.
  • ДНК каждой клетки человека содержит около 3,3 млрд. пар оснований. Комбинации этих пар образуют гены различной величины. Длина некоторых из них равна длине примерно 1000 пар оснований, а других — до 2 миллионов пар.
  • ДНК человека почти идентична в каждой клетке его организма. Но есть два важных исключения из этого общего правила. Первое из них — эритроциты: у этих клеток нет ядра. Второе исключение — половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды). В них содержится вдвое меньшее количество ДНК по сравнению с другими клетками. В процессе размножения половые клетки объединяются для обеспечения полного комплекта ДНК (набора хромосом) у будущего зародыша.

Читайте также:

Гены или воспитание: что важнее

12 факторов, определяющих ум человека

Можно ли определить беременность до задержки

Медицина Аюрведа

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>