Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство охорони здоров'я України

Національний медичний університет імені О.О. Богомольця

Реферат

на тему:

"Дезоксирибонуклеїнова кислота(ДНК)"

Підготувала:

студентка 3 курсу 4 групи

фармацевтичного ф-ту

Гайда Юлія Вікторівна

Викладач: Кузнецова О.B.

Київ 2013

План

Вступ

1. Історія дослідження

2. Структура молекули

2.1 Нуклеотиди

2.2 Структури гетероциклічних основ і аденозинмонофосфату (AMP)

2.3 Подвійна спіраль

2.4 Утворення зв'язків між основами

2.5 Альтернативні форми подвійної спіралі

2.6 Суперскрученість

2.7 Структури на кінцях хромосом

3. Хімічні модифікації

3.1 Метилювання ДНК

3.2 Пошкодження ДНК

4. Біологічна роль ДНК

4.1 Структура геному

4.2 Послідовності генома, що не кодують білок

4.3 Транскрипція і трансляція

4.4 Реплікація

5. Взаємодія з білками

5.1 Структурні і регуляторні білки

5.2 Ферменти, що модифікують ДНК

5.2.1Топоізомерази і гелікази

5.2.2 Нуклеази і лігази

5.2.3 Полімерази

6. Генетична рекомбінація

7. Еволюція метаболізму ДНК

8. Використання ДНК в технології

8.1 Методи роботи з ДНК

8.2 Генна інженерія

8.3 Судово-медична експертиза

8.4 Біоінформатика

8.5 ДНК і комп'ютери нового покоління

Список використаної літератури

Вступ

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) - один із двох типів природних нуклеїнових кислот, який забезпечує зберігання, передачу з покоління в покоління і реалізацію генетичної програми розвитку й функціонування живих організмів. Основна роль ДНК в клітинах - довготривале зберігання інформації про структуру РНК і білків.

У клітинах еукаріотів (наприклад, тварин, рослин або грибів) ДНК знаходиться в ядрі клітини в складі хромосом, а також в деяких клітинних органелах (мітохондріях і пластидах). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) кільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд, знаходиться в цитоплазмі і прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і у нижчих еукаріот (наприклад дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, так звані плазміди. Крім того, одно- або дволанцюжкові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.

З хімічної точки зору, ДНК - це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків - нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи (або гомологічної арсеноїдної). Зв'язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної групи. У переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що містять одноланцюжкові ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюжкова молекула утворює спіраль. В цілому структура молекули ДНК отримала назву "подвійної спіралі".

У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін, гуанін, тимін і цитозин) (виняток становлять випадки пізніших модифікацій нуклеотидів, наприклад метилювання). Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном, гуанін - тільки з цитозином. Послідовність нуклеотидів дозволяє "кодувати" інформацію про різні типи РНК, найважливішими з яких є інформаційні, або матричні (мРНК), рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК (тобто за рахунок копіювання послідовності ДНК у послідовність макромолекули, що синтезується) у процесі транскрипції і беруть участь у біосинтезі білків (процесах сплайсингу і трансляції). Крім кодуючих послідовностей, ДНК клітини містить послідовності, що виконують регуляторні і структурні функції. Ділянки кодуючої послідовності разом із регуляторними ділянками називаються генами. днк геном білок біоінформатика

У геномах еукаріотів містяться також довгі послідовності без очевидної функції (некодуючі послідовності, інтрони). Також у складі геному досить поширені генетичні паразити - транспозони і вірусні або схожі на них послідовності.

Розшифровка структури ДНК (виконана в 1953 році) стала одним з поворотних моментів в історії біології. За видатний внесок у це відкриттяФренсісу Кріку, Джеймсу Ватсону і Морісу Вілкінсу була присуджена Нобелівська премія з фізіології і медицини 1962 року.

1. Історія дослідження

ДНК була відкрита Іоганном Фрідріхом Мішером у 1869 році. Спочатку нова речовина отримала назву нуклеїн, а пізніше, коли Мішер визначив, що ця речовина володіє кислотними властивостями, речовина отримала назву нуклеїнова кислота. Біологічна функція нововідкритої речовини була неясна, і довгий час ДНК вважалася запасником фосфору в організмі. Більш того, навіть на початку 20 століття багато біологів вважали, що ДНК не має ніякого відношення до передачі інформації, оскільки будова молекули, на їхню думку, була дуже одноманітною і не могла містити закодовану інформацію.

Поступово було доведено, що саме ДНК, а не білки, як вважалося раніше, є носієм генетичної інформації. Одними з перших вирішальних доказів стали експерименти О. Евері, Коліна Мак-Леода і Маклін Мак-Карті (1944 рік) з трансформації бактерій. Їм вдалося показати, що за так звану трансформацію (придбання хвороботворних властивостей нешкідливою культурою у результаті додавання до неї мертвих хвороботворних бактерій) відповідає виділена з пневмококів ДНК. Експеримент американських учених Алфреда Хершу і Марти Чейз (1952 рік) з міченими радіоактивними ізотопами білками і ДНК бактеріофагів показали, що в заражену клітину передається тільки нуклеїнова кислота фага, а нове покоління фага містить такі ж білки і нуклеїнову кислоту, як і початковий фаг.

До 50-х років 20 століття точна будова ДНК, як і спосіб передачі спадкової інформації, залишалася невідомою. Хоч і було напевно відомо, що ДНК складається з кількох ланцюжків, що у свою чергу складаються з нуклеотидів, ніхто не знав точно, скільки цих ланцюжків і як вони сполучені.

Структура подвійної спіралі ДНК була запропонована Френсісом Кріком і Джеймсом Ватсоном у 1953 році на основі рентгено-структурних даних, отриманих Морісом Вілкінсом і Розаліндою Франклін, і "правил Чаргаффа", згідно з якими в кожній молекулі ДНК дотримуються строгі співвідношення, що зв'язують між собою кількість азотистих основ різних типів. Пізніше запропонована Ватсоном і Кріком модель будови ДНК була доведена, а їхня робота відмічена Нобелівською премією з фізіології і медицини 1962 року. Серед одержувачів не було Розалінди Франклін, що померла на той час, оскільки премія не присуджується посмертно.

У відомій доповіді 1957 року, Крік окреслив основи так званої "Центральної догми" молекулярної біології, яка передбачає взаємовідношення між ДНК, РНК і білками, та сформулював"адаптерну гіпотезу". Остаточне підтвердження механізму копіювання, запропонованого на основі спіральної структури, було отримане в 1958 році за допомогою експерименту Мезельсона-Сталя. Подальші роботи Кріка і його лабораторії показали, що генетичний код засновується на трійках основ, що не перекриваються, кодонах, що пізніше дозволило Гару Ґобінду Хорані, Роберту Голлі і Маршаллу Ніренбергу розшифрувати генетичний код. Ці відкриття позначають початок молекулярної біології.

2. Структура молекули

2.1 Нуклеотиди

Аденін	Гуанін	Тимін	Цитозин	Аденозинмонофосфат

2.2 Структури гетероциклічних основ і аденозинмонофосфату (AMP)

Дезоксирибонуклеїнова кислота є біополімером (поліаніоном), мономерами якого є нуклеотиди. Кожен нуклеотид складається із залишку фосфорної кислоти, приєднаного за 5'-положенням до цукрудезоксирибози, до якого також через глікозидний зв'язок (C--N) за 1'-положенням приєднана одна з чотирьох азотистих основ. Саме наявність характерного цукру і складає одну з головних відмінностей між ДНК і РНК, зафіксовану в назвах цих нуклеїнових кислот (до складу РНК входить цукор рибоза). Приклад нуклеотиду - аденозинмонофосфат - де основа, приєднана до фосфату і рибози, це аденін, показаний на малюнку.

Виходячи із структури молекул, основи, що входять до складу нуклеотидів, розділяють на дві групи: пуринові (аденін [A] і гуанін [G]), утворені сполученими п'яти- і шестичленним гетероциклами і піримідинові (цитозин [C] і тимін [T]) - утворені одним шестичленним гетероциклом.

Як виняток, наприклад, у бактеріофага PBS1, в ДНК зустрічається п'ятий тип основ - урацил (U), піримідинова основа, що зазвичай входить до складу РНК замість тиміну і відрізняється від тиміну відсутністю метильної групи на кільці. Слід зазначити, що тимін і урацил не так строго приурочені до ДНК і РНК відповідно, як це вважалося раніше. Так, після синтезу деяких молекул РНК значне число урацилів у цих молекулах метилюєтся за допомогою спеціальних ферментів, перетворюючись на тимін. Це відбувається в транспортних і рибосомних РНК.

2.3 Подвійна спіраль

Полімер ДНК має досить складну структуру. Нуклеотиди ковалентно сполучені між собою в довгі полінуклеотидні ланцюжки. Ці ланцюжки в переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що мають одноланцюжковий ДНК-геном), у свою чергу, попарно об'єднуються за допомогою водневих зв'язків у структуру, що отримала назву подвійної спіралі. Фосфатні групи формують фосфодіестерні зв'язки між третім і п'ятим атомами вуглецю сусідніх молекул дезоксирибози, в результаті взаємодії між 3-гідроксильною (3 -ОН) групою однієї молекули дезоксирибози і 5-фосфатною групою (5 -РО 3) іншої. Асиметричні кінці ланцюжка ДНК називаються 3' (три-прайм) і 5' (п'ять-прайм). Полярність ланцюжка грає важливу роль при синтезі ДНК (подовження ланцюжка можливе тільки шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільного 3' кінцю).

Як вже було сказано вище, у переважної більшості живих організмів ДНК складається не з одного, а з двох полінуклеотидних ланцюжків. Ці два довгі ланцюжки закручені один навколо іншого у вигляді подвійної спіралі, що стабілізується водневими зв'язками, які утворюються між повернутими один до одного азотистими основами ланцюжків, що входять до неї. У природі ця спіраль, зазвичай, правозакручена. Напрями від 3' кінця до 5' кінця в двох ланцюжках, з яких складається молекула ДНК, протилежні (ланцюжки "антипаралельні" один одному).

Ширина подвійної спіралі в її найпоширенішій B-формі становить від 22 до 24 Е, або 2,2 - 2,4 нм, а довжина кожного нуклеотида 3,3 Е (0,33 нм). Довжина всієї молекули залежить від виду організму, та може складати від десятків мікрон у деяких вірусів до кількох метрів (в одній хромосомі) у деяких рослин. Подібно до того, як в гвинтових сходах збоку можна побачити сходинки, на подвійній спіралі ДНК в проміжках між фосфатним остовом молекули можна бачити ребра основ, кільця яких розташовані в площині, перпендикулярній до подовжньої осі макромолекули.

У подвійній спіралі розрізняють малу (12 Е) і велику (22 Е) борозенки. Білки, наприклад, фактори транскрипції, які приєднуються до певних послідовностей в дволанцюжковій ДНК, зазвичай взаємодіють з краями основ у великій борозенці, де вони доступніші.

2.4 Утворення зв'язків між основами

Кожна основа на одному з ланцюжків зв'язується з однією певною основою на іншому ланцюжку. Таке специфічне зв'язування називається комплементарним.

Пуринові основи комплементарні піримідиновим (тобто, здатні до утворення водневих зв'язків з ними): аденін утворює зв'язки тільки з тиміном, а цитозин - з гуаніном. У подвійній спіралі ланцюжки також зв'язані за допомогою гідрофобної взаємодії і стекінгу, які не залежать від послідовності основ ДНК.

Комплементарність подвійної спіралі означає, що інформація, що міститься в одному ланцюжку, міститься і в іншому ланцюжку. Оборотність і специфічність взаємодій між комплементарними парами основ важлива для реплікації ДНК і решти всіх функцій ДНК в живих організмах.

Оскільки водневі зв'язки нековалентні, вони легко розриваються і відновлюються. Ланцюжки подвійної спіралі можуть розходитися як замок-змійка під дією ферментів (гелікази) або при високій температурі.

Різні пари основ утворюють різну кількість водневих зв'язків. A-T зв'язані двома, G-C - трьома водневими зв'язками, тому на розрив GC потрібно більше енергії. Відсоток GC пар і довжина молекули ДНК визначають кількість енергії, необхідної для дисоціації ланцюжків: довгі молекули ДНК з великим вмістом GC більш "тугоплавкі".

2.5 Альтернативні форми подвійної спіралі

ДНК може існувати в кількох можливих конформаціях. Зараз ідентифіковані та описані такі:A-ДНК, B-ДНК, C-ДНК, D-ДНК, E-ДНК, H-ДНК, L-ДНК, P-ДНК і Z-ДНК. Проте, тільки A-, B- і Z- форми ДНК спостерігалися в природних біологічних системах. Конформація, яку приймає ДНК, залежить від послідовності ДНК, величини та напрямку суперскрученості, хімічних модифікації основ і концентрації хімічних речовин у розчині, перш за все концентрацій іонів металів і поліамінів. Із всіх конформацій, B-форма, описана вище, є найзагальнішою формою за умов, що властиві більшості клітин. Альтернативні конформації подвійної спіралі відрізняються своєю геомертією та розмірами.

A-форма - ширша правостороння спіраль, з дрібнішою і ширшою малою борозенкою і вужчою і глибшою великою борозенкою. Ця форма зустрічається за нефізіологічними умовами в зневоднених зразках ДНК, крім того вона, ймовірно, зустрічається в живих клітинах у гібридних комплексах ланцюжків ДНК і РНК, та в комплексах ферментної ДНК. Сегменти ДНК із хімічно зміненими (метильованими) основами можуть проходити через більші конформаційні зміни і приймають Z-форму. Тут, ланцюжки закручаються в ліву подвійну спіраль, на відміну від правої спіралі B-форми. Ці структури можуть розпізнаватися специфічними Z-ДНК зв'язуючими білками і можуть бути залучені до регуляції транскрипції.

2.6 Суперскрученість

Якщо узятися за кінці мотузки і почати скручувати їх у різні боки, вона стає коротшою і на мотузці утворюються великі "супервитки". Також може бути суперскручена й ДНК. У звичайному стані ланцюжок ДНК робить один оберт на кожні 10,4 основ, але в суперскрученому стані спіраль може бути згорнута тугіше або розплетена.

Виділяють два типи суперскрученості: позитивну - у напрямі нормальних витків, при якому основи розташовані ближче одна до одної; і негативну - в протилежному напрямку. У природі молекули ДНК зазвичай перебувають в стані негативної суперскрученості, який вноситься ферментами, -топоізомеразами. Ці ферменти вилучають додаткову скрученість, що виникає в ДНК в результаті транскрипції та реплікації.

2.7 Структури на кінцях хромосом

На кінцях лінійних хромосом є спеціалізовані структури ДНК, що називаються теломерами. Основна функція цих ділянок - підтримка цілісності кінців хромосом. Оскільки звичайна ДНК-полімераза не може реплікувати 3'-кінці хромосом, спеціальний фермент - теломераза - після кожного поділу клітини додає до хромосом повторювані ділянки ДНК, теломери.

Теломери також захищають кінці ДНК від деградації екзонуклеазами і запобігають активації систем репарації, які запускаються у відповідь на розриви ДНК.

У клітинах людини теломери зазвичай представлені одноланцюжковою ДНК і складаються з декількох тисяч одиниць послідовності TTAGGG, що повторюються. Ці послідовності з високим вмістом гуаніну стабілізують кінці хромосом, формуючи дуже незвичайні структури, які називають G-квадруплексами і які складаються з чотирьох, а не двох взаємодіючих основ. Чотири гуанінових основи, всі атоми яких знаходяться в одній площині, утворюють пластинку, стабілізовану водневими зв'язками між основами і хелатованим у центрі іоном металу (найчастіше калію). Ці пластинки складаються стопкою одна над іншою.

На кінцях хромосом можуть утворюватися і інші структури: основи можуть бути розташовані в одному ланцюжку або в різних паралельних ланцюжках. Окрім цих структур "стопок", теломери формують великі петлеподібні структури, звані Т-петлі або теломерні петлі. У них одноланцюжкова ДНК розташовується у вигляді широкого кільця, стабілізованого теломерними білками. У кінці Т-петлі одноланцюжкова теломерна ДНК приєднується до дволанцюжкової ДНК, порушуючи спаровування ланцюжків у цій молекулі й утворюючи зв'язки з одним із ланцюжків. Це триланцюжкове утворення називається D-петлею (від англ. displacement loop). (Структура теломер. Зеленим кольором позначений іон металу, хелатований в центрі структури.)

3. Хімічні модифікації

3.1 Метилювання ДНК

Структура цитозину з та без 5-метильної групи. Після дезамінування 5-метилцитозин має таку ж саме структуру, як і тимін.

За певних умов основи ДНК піддаються хімічним модифікаціям, які можуть бути успадковані без заміни послідовності ДНК, і, таким чином, є частиною епігенетичного коду. Найпоширенішим і найкраще описаним механізмом хімічних модифікацій є метилювання основ ДНК, цитозину у еукаріотів та цитозину і аденіну у бактерій.

Метилювання ДНК виявлене у всіх клітинах еукаріотів, проте середній рівень метилювання відрізняється у різних організмів, так у нематоди Caenorhabditis elegans метилювання цитозину майже не спостерігається, а у хребетних виявлений високий рівень метилювання - до 1 % . Відомо, що рівень метилювання цитозину впливає на експресію генів: ділянки гетерохроматину (що характеризуються відсутністю або низьким рівнем транскрипції) корелюють із рівнем метилювання. Наприклад, метилювання цитозину з утворенням 5-метилцитозину важливе для інактивації Х-хромосоми;. Незважаючи на біологічну роль, 5-метилцитозин може спонтанно дезамінуватися, перетворюючись на тимін, тому метильований цитозин є джерелом підвищеного числа мутацій.

Крім контролю експресії генів та, в результаті, контролю клітинного циклу, бактерії використовують метилювання аденіну і цитозину для захисту проти патогенів у складі рестрикційно-модифікаційної системи.

Іншим добре описаним типом модифікацій основ є глікозування урацилу з утворенням "J-основи" в кінетопластидах.

3.2 Пошкодження ДНК

ДНК може пошкоджуватись різноманітними мутагенами, до яких належать окислюючі й алкілюючі речовини, а також високоенергетична електромагнітна радіація - ультрафіолетове й рентгенівське випромінювання. Тип пошкодження ДНК залежить від типу мутагена. Наприклад, ультрафіолет пошкоджує ДНК шляхом появи в ній димерів тиміну, які утворюються при формуванні ковалентних зв'язків між сусідніми основами.

Активні форми кисню, наприклад "вільні" радикали або перекис водню призводять до кількох типів пошкодження ДНК, включаючи модифікації основ, особливо гуанозину, а також дволанцюжкові розриви в ДНК. За деякими оцінками у кожній клітині людини близько 500 основ пошкоджуються окислюючими сполуками щодня. Серед різних типів пошкоджень найнебезпечніші - дволанцюжкові розриви, тому що вони важко репаруються і можуть призвести до втрат ділянок хромосом (делецій) і транслокацій.

Багато молекул мутагенів вставляються (інтеркалюються) між двома сусідніми парами основ. Більшість цих сполук, наприклад, бромистий етидій,дауноміцин, доксорубіцин і талідомід, мають ароматичну структуру. Для того, щоб ароматична сполука могла вміститися між основами, вони повинні розійтися, розплітаючи й порушуючи структуру подвійної спіралі. Ці зміни в структурі ДНК перешкоджують транскрипції і реплікації, викликаючи мутації. Тому інтеркалюючі речовини часто є канцерогенами, найвідоміші з яких - бензопірен, акридини, афлатоксини і бромистий етидій. Попри ці негативні властивості, в силу своєї здатності пригнічувати транскрипцію і реплікацію ДНК, деякі речовини, що інтеркалюють до ДНК, використовуються в хіміотерапії для пригнічення швидкого росту ракових клітин.

4. Біологічна роль ДНК

ДНК є носієм генетичної інформації, записаної у вигляді нуклеотидної послідовності за допомогою генетичного коду. З молекулами ДНК зв'язані дві основоположні властивості живих організмів - спадковість і мінливість. У ході процесу, що називається реплікацією ДНК, утворюються дві копії початкового ланцюжка, які успадковуються дочірніми клітинами при поділі. Клітини, що утворилися таким чином, будуть генетично ідентичними. Генетична інформація, потрібна для життєдіяльності клітини, зчитується при експресії генів. У більшості випадків вона використовується для біосинтезу білків у процесах транскрипції(синтезу молекул РНК на матриці ДНК) і трансляції (синтезу білків на матриці РНК).

Послідовність нуклеотидів "кодує" інформацію про різні типи РНК: кодуючі - матричні або інформаційні (мРНК) - та некодуючі - рибосомальні (рРНК), транспортні (тРНК), каталітичніта інші. Всі ці типи РНК синтезуються на основі ДНК у процесі транскрипції. Їхня роль у біосинтезі білків та інших процесах життєдіяльності клітини різна. Матрична РНК містить інформацію про послідовність амінокислот у білку, рибосомальні РНК служать основою для рибосом (складних нуклеопротеїнових комплексів, основна функція яких - збірка білка з окремих амінокислот на основі мРНК), транспортні РНК доставляють амінокислоти до місця збірки білків - в активний центр рибосоми, що рухається по мРНК.

4.1 Структура геному

ДНК більшості природних геномів має дволанцюжкову структуру - або лінійну (у еукаріотів, деяких вірусів і окремих видів бактерій), або кільцеву (у більшості бактерій та архей, хлоропластів і мітохондрій). Лінійну одноланцюжкову ДНК містять деякі віруси, у тому числі бактеріофаги.

У клітинах еукаріотів ДНК розташовується головним чином в ядрі у вигляді набору хромосом. ДНК бактерій та архей зазвичай представлена однією кільцевою молекулою ДНК, розташованою в цитоплазмі у вигляді утворення неправильної форми, що називається нуклеоїдом.

Генетична інформація геному складається з генів. Ген - одиниця передачі спадковій інформації, що має вигляд безперервної ділянки ДНК і впливає на певну характеристику організму. Ген містить відкриту рамку зчитування, яка транскрибуєтся, а також регуляторні послідовності, наприклад, промотори і енхансери, які контролюють експресію відкритих рамок зчитування.

У багатьох організмах тільки мала частина загальної послідовності геному кодує білки. Так тільки близько 1,5 % геному людини складається з кодуючих білок екзонів, а понад 50 % ДНК складається з повторюваних некодуючих послідовностей ДНК. Причини існування такої великої кількості некодуючої ДНК в еукаріотичних геномах і величезна різниця в розмірах геномів (C-значення) - одна з нерозв'язаних наукових загадок.

4.2 Послідовності генома, що не кодують білок

Традиційно некодуючі послідовності ДНК, за винятком промоторів, що безпосередньо передують відкритим рамкам зчитування, розглядалися як "сміттєва ДНК" (англ. junk DNA). Проте зараз накопичується дедалі більше даних, що суперечать цій ідеї, й свідчать про різноманітні корисні функції цих послідовностей. Теломери і центромери містять мале число генів, але вони важливі для функціонування і стабільності хромосом. Розповсюджена форма некодуючих послідовностей людини - псевдогени, копії генів, інактивовані в результаті мутацій. Ці послідовності є чимось подібним до молекулярних скам'янілостей, хоча іноді вони можуть служити початковим матеріалом для дуплікації і подальшої дивергенції генів.

Інший тип некодуючої ДНК, що однак транскрибується в РНК - інтрони. Інтрони також є джерелом різноманітності білків в організмі, бо можуть використовуватися як "лінії розрізу і склеювання" при альтернативному сплайсингу. Нарешті, некодуючі білок послідовності ДНК можуть кодувати допоміжні клітинні РНК, наприклад малі ядерні РНК. Недавнє дослідження транскрипції геному людини показало, що 10 % геному дає початок поліаденільованим РНК, а дослідження геному миші показало, що 62 % його транскрибується.

4.3 Транскрипція і трансляція

Генетична інформація, закодована в ДНК, повинна бути прочитана і зрештою виражена в синтезі різних біополімерів, з яких складаються клітини. Послідовність основ у ланцюжку ДНК безпосередньо визначає послідовність основ у РНК, на яку вона "переписується" в процесі, що називається транскрипцією. У випадку мРНК, ця послідовність визначає амінокислотибілка. Співвідношення між нуклеотидною послідовністю мРНК і амінокислотною послідовністю білків визначається правилами трансляції, які називаються генетичним кодом. Генетичний код складається із кодонів, тринуклеотидних послідовностей (наприклад АСТ, CAG, ТТТ тощо), що безпосередньо слідують одна за одною.

Під час транскрипції нуклеотиди гену копіюються на РНК, що синтезується РНК-полімеразою. Ця копія у разі мРНК декодується рибосомою, яка "зчитує" послідовність мРНК, здійснюючи спаровування матричної РНК з ділянками транспортних РНК, комплексів РНК і амінокислот у процесі трансляції. Оскільки в тринуклеотидних комбінаціях використовуються 4 основи, всього можливі 64 кодони (43 комбінації). Кодони кодують 20 стандартних амінокислот, кожній з яких у більшості випадків відповідає більш ніж один кодон. Один з трьох кодонів, які розташовуються в кінці мРНК, не кодує амінокислоту і визначає кінець білка, це "стоп" або "нонсенс" кодони (у більшості організмів TAA, TGA, TAG).

4.4 Реплікація

Поділ клітини необхідний для розмноження одноклітинних і росту багатоклітинних організмів, але до поділу клітина повинна подвоїти геном, щоб дочірні клітини містили ту ж генетичну інформацію, що і початкова клітина. ДНК подвоюється у процесі реплікації, що протікає за напівконсервативним механізмом: два ланцюжки розділяються, і потім кожна комплементарнапослідовність ДНК відтворює для себе пару за допомогою ферменту ДНК-полімераза. Цей фермент будує полінуклеотидний ланцюжок, знаходячи правильний нуклеотид через комплементарне спаровування основ і приєднуючи його до зростаючого ланцюжка. ДНК-полімераза, що здійснює більшу частину синтезу (Pol III прокаріотів або Pol д еукаріотів) не може розпочати синтез нового ланцюжка, а тільки нарощує вже існуючий, тому вона потребує наявності праймерів, ділянок ДНК, синтезованих за допомогою спеціальної РНК-полімерази праймази. Оскільки ДНК-полімерази можуть будувати ланцюжок тільки у напрямку 5' > 3', для копіювання антипаралельних ланцюжків використовуються складні механізми із залученням великої кількості білків.

5. Взаємодія з білками

Всі функції ДНК залежать від її взаємодії з білками. Взаємодії можуть бути як неспецифічними, коли білок приєднується до будь-якої молекули ДНК, або залежати від наявності особливої послідовності. Ферменти також можуть взаємодіяти з ДНК. Найважливіші з них - полімерази, що копіюють послідовність основ ДНК на РНК у процесі транскрипції, а також на нову ДНК при синтезі нового ланцюжка - реплікації.

5.1 Структурні і регуляторні білки

Добре вивченими прикладами взаємодії білків і ДНК, незалежної від нуклеотидної послідовності, є взаємодія із структурними білками. У клітинах ДНК зв'язана з цими білками, утворюючи компактну структуру - хроматин. У випадку еукаріотів та багатьох архей хроматин утворюється за допомогою невеликих лужних білків - гістонів. У решти архей та бактерій ДНК менш щільно упакована за допомогою ряду інших білків, хоча серед них і знайдені гомологічні гістонам білки. Гістони формують дископодібні білкові структури - нуклеосоми, навколо кожної з яких вміщається два оберти спіралі ДНК.

Неспецифічні зв'язки між гістонами і ДНК утворюються за рахунок іонних зв'язків лужних амінокислот гістонів і кислотних залишків цукрофосфатного остову ДНК. Хімічні модифікації цих амінокислот включають метилювання, фосфорилювання і ацетилювання. Ці хімічні модифікації змінюють силу взаємодії між ДНК і гістонами, впливаючи на доступність специфічних послідовностей для факторів транскрипції і змінюючи швидкість транскрипції.Інші білки у складі хроматіну, які приєднуються до неспецифічних послідовностей, - білки з високою рухливістю в гелях, що асоціюють переважно із зігнутою ДНК. Ці білки важливі для утворення в хроматині структур вищого порядку. Особлива група білків, що приєднуються до ДНК, - білки, які асоціюють з одноланцюжковою ДНК. Найкраще охарактеризований білок цієї групи у людини - реплікаційний білок А, без якого неможливе протікання більшості процесів, де розплітається подвійна спіраль, включаючи реплікацію,рекомбінацію і репарацію ДНК. Білки цієї групи стабілізують одноланцюжкову ДНК і запобігають формуванню стебел-петель або деградації ДНКнуклеазами.

Водночас інші білки розпізнають специфічні послідовності й приєднуються до них. Найбільш вивчена група таких білків - різні класи факторів транскрипції, тобто білки, що регулюють транскрипцію. Кожен з цих білків розпознає свою послідовність, часто в промоторі, й активує або пригнічує транскрипцію гену. Це відбувається при асоціації факторів транскрипції з РНК-полімеразою або безпосередньо, або через білки-посередники. Полімераза асоціює спочатку з білками, а потім починає транскрипцію. В інших випадках фактори транскрипції можуть приєднуватися до ферментів, які модифікують гістони, що знаходяться на промоторах, і, таким чином, змінюють доступність ДНК для полімераз.

Оскільки специфічні послідовності зустрічаються в багатьох місцях геному, зміни в активності одного типу факторів транскрипції можуть змінити активність тисяч генів. Відповідно, ці білки часто регулюються в процесах відповіді на зміни в навколишньому середовищі, розвитку організму ідиференціацію клітин. Специфічність взаємодії факторів транскрипції з ДНК забезпечується численними контактами між амінокислотами і основами ДНК, що дозволяє їм "читати" послідовність ДНК. Більшість контактів з основами відбуваються в головній борозенці, де основи доступніші.

5.2 Ферменти, що модифікують ДНК

5.2.1Топоізомерази і гелікази

У клітині ДНК перебуває в суперскрученому стані, що дозволяє їй досягти компактнішої організації. Для протікання багатьох процесів життєдіяльності ДНК повинна бути розкручена, що виконується двома групами білків - топоізомеразами і геліказами.

Топоізомерази - ферменти, які мають як нуклеазну, так і лігазну активності. Ці білки змінюють топологію, зокрема ступінь суперскрученості ДНК. Деякі з цих ферментів розрізають подвійну спіраль ДНК і дозволяють обертатися одному з ланцюжків, тим самим зменшуючи рівень суперскрученості, після чого фермент заклеює розрив. Інші ферменти можуть розрізати один з ланцюжків і проводити другий ланцюжок через розрив, а потім лігувати розрив в першому ланцюжку. Топоізомерази необхідні в багатьох процесах, пов'язаних з ДНК, таких як реплікація і транкрипція.

Гелікази - білки, що належать до молекулярних моторів. Вони використовують хімічну енергію нуклеозидтрифосфатів, найчастіше АТФ, для розриву водневих зв'язків між основами, розкручуючи подвійну спіраль на окремі ланцюжки. Ці ферменти важливі для більшості процесів, де білкам необхідний доступ до основ ДНК.

5.2.2 Нуклеази і лігази

У різних процесах, що відбуваються в клітині, наприклад, рекомбінації і репарації беруть участь ферменти, здатні розрізати і відновлювати цілісність ланцюжків ДНК. Ферменти, що розрізають ДНК, носять назву нуклеаз. Нуклеази, які гідролізують нуклеотиди на кінцях молекули ДНК, називаються екзонуклеазами, а нуклеази, що розрізають ДНК усередині ланцюга - ендонуклеазами. Нуклеази, що найчастіше використовуються в молекулярній біології і генній інженерії входять до класу рестриктаз, які розрізають ДНК біля специфічних послідовностей. Наприклад, фермент EcoRV (рестрикційний фермент № 5 бактерії E. coli) розпізнає шестинуклеотидну послідовність 5'-GAT|ATC-3' й розрізає ДНК у місці, вказаному вертикальною лінією. У природі ці ферменти захищають бактерії від зараженнябактеріофагами, розрізаючи ДНК фага, коли вона вводиться в клітину бактерії. Власна ДНК бектерії захищена від рестриктаз за допомогою метилювання. У цьому випадку нуклеази - частина рестрикційно-модифікаційної системи.

ДНК-лігази зшивають цукрофосфатні остови молекул ДНК, використовуючи енергію АТФ. Вони особливо важливі в процесах реплікації ланцюжка, що запізнюється, з'єднуючи між собою фрагменти Окадзакі. Крім того вони використовуються в репарації ДНК і гомологічній рекомбінації. У лабораторних дослідженнях лігази широко використовуються в клонуванні і фінґерпринтингу.

5.2.3 Полімерази

Інша важлива для метаболізму ДНК група ферментів синтезує ланцюжки полінуклеотидів з нуклеозидтрифосфатів, це - полімерази. Вони додають нуклеотиди до 3'-гідроксильної групи попереднього нуклеотиду в ланцюжку ДНК, тому всі полімерази працюють у напрямі 5' > 3'. У активному центрі цих ферментів субстрат - нуклеозидтрифосфат - злучається з комлементарною основою у складі одноланцюжкового полінуклеотидного ланцюжка - матриці.

У процесі реплікації ДНК, ДНК-залежна ДНК-полімераза синтезує копію початкової послідовності ДНК. Точність дуже важлива в цьому процесі, оскільки помилки полімеризації приведуть до мутацій, тому багато полімераз мають здатність до "редагування" - виправлення помилок. Полімераза дізнається про помилки в синтезі за відсутністю спаровування між неправильними нуклеотидами. Після визначення відсутності спаровування активується 3' > 5' екзонуклеазна активність полімерази й неправильна основа вилучається. У більшості організмів ДНК-полімерази працюють у вигляді великого комплексу, у що називається в бактерій реплісомою. Вона містить численні додаткові субодиниці, наприклад, гелікази.

РНК-залежні ДНК-полімерази (зворотні транскриптази) - спеціалізований тип полімераз, які копіюють послідовність РНК на ДНК. До цього класу ферментів належить вірусна зворотна транскриптаза, яка використовується ретровірусами при інфекції клітин, а також теломераза, необхідна для реплікації теломер. Теломераза - РНК-білковий комплекс, що містить власну матричну РНК, яка й використовується для зворотної транскрипції.

Транскрипція здійснюється ДНК-залежною РНК-полімеразою, яка копіює послідовність ДНК одного ланцюжка на мРНК. На початку транскрипції гену РНК-полімераза приєднується до послідовності на початку гена, промотором, і розплітає спіраль ДНК. Потім вона копіює послідовність гену на матричну РНК доти, доки не дійде до ділянки ДНК в кінці гена --термінатора, де вона зупиняється і від'єднується від ДНК. Окрім того, ДНК-залежна ДНК-полімераза людини, РНК-полімераза II, яка транскрибує більшу частину генів людини, працює у складі великого білкового комплексу, що містить регуляторні й додаткові субодиниці.

6. Генетична рекомбінація

Подвійна спіраль ДНК зазвичай не взаємодіє з іншими сегментами ДНК, а в клітинах еукаріотів різні хромосоми просторово розділені в ядрі. Ця відстань між різними хромосомами важлива для здатності ДНК діяти в якості стабільного носія інформації. В процесі рекомбінації дві спіралі ДНК розриваються, після чого безперервність спіралей відновлюється, але не обов'язково в правильному порядку, тому обмін ділянками хромосом може привести до пошкодження цілісності генетичного матеріалу. З іншого боку, рекомбінація дозволяє хромосомам обмінюватися генетичною інформацією, в результаті цього утворюються нові комбінації генів, що збільшує ефективність природного відбору й важливо для швидкої еволюції нових білків.

В процесі негомологічної рекомбінації (негомологічного з'єднання кінців), що виникає в результаті зовнішніх пошкоджень, дві спіралі ДНК розриваються, після чого неперервність спіралей відновлюється в процесі репарації клітиною дволанцюжкових розривів ДНК, але не обов'язково в правильному порядку. Тому обмін ділянками негомологічних хромосом може привести до пошкодження цілісності генетичного матеріалу в результаті розриву генів або розриву регуляторних зв'язків - транслокацій.

Найпоширеніша форма рекомбінації - гомологічна рекомбінація - коли рекомбінація виникає між гомологічними хромосомами, тобто хромосомами, що мають дуже схожі послідовності (що зазвичай утворюються в організмах із статевим розмноженням під час мейозу). Іноді в якості гомологічних ділянок виступають транспозони. Реакція гомологічної рекомбінації каталізується ферментами, які називаються рекомбіназами, наприклад, Cre. На першому етапі реакції рекомбіназа робить розрив в одному з ланцюжків ДНК, дозволяючи цьому ланцюжку відокремитися від комплементарного ланцюжка й приєднається до одного з ланцюжків другої хроматиди. Інший розрив в ланцюжку другої хроматиди дозволяє їй також відокремитися і приєднається до ланцюжка, що залишився без пари, з першої хроматиди, формуючи структуру Холідея. Структура Холідея може пересуватися вздовж сполученої пари хромосом, міняючи ланцюжки місцями. Реакція рекомбінації завершується, коли фермент розрізає з'єднання, а два ланцюжки лігуються.

7. Еволюція метаболізму ДНК

ДНК містить генетичну інформацію, яка робить можливою життєдіяльність, зростання, розвиток і розмноження всіх сучасних організмів. Проте невідомо протягом якого часу з чотирьох мільярдів років історії життя на Землі ДНК була головним носієм генетичної інформації. Існують гіпотези, що РНК грала центральну роль в обміні речовин, оскільки вона може як переносити генетичну інформацію, так і здійснювати каталіз за допомогою рибозимів. Крім того, РНК - один із основних компонентів "фабрик білка" - рибосом. Стародавній РНК-світ, де нуклеїнова кислота використовувалася і для каталізу і для перенесення інформації, міг послужити зародком сучасного генетичного коду, що складається з чотирьох основ. Це могло відбутися в результаті того, що число основ в організмі було компромісом між невеликим, що збільшувало точність реплікації, й великим, що збільшувало каталітичну активність рибозимів.

На жаль, стародавні генетичні системи не дожили до наших днів. ДНК в найкраших умовах навколишнього середовища зберігається протягом 1 мільйона років, а потім деградує до коротких фрагментів. Отримання ДНК й визначення послідовності генів 16S рРНК з комах, загрузлих в бурштині, який утворився 250 млн років тому, та бактеріальних спор служить темою жвавої дискусії в наукових колах.

8. Використання ДНК в технології

8.1 Методи роботи з ДНК

З розвитком молекулярної біології було розроблено багато методів роботи з ДНК. Ці методи перш за все включають виділення ДНК, зазвичай за допомогою руйнування клітин, що містять необхідну ДНК, та спиртової преципітації ДНК з розчину. При необхідності ДНК очищують за допомогою адсорбційної хроматографії. Більші кількості ДНК можна одержати за допомогою полімеразної ланцюгової реакції(ПЛР), що вимагає лише кількох молекул ДНК, але дозволяє ампліфікувати лише відносно невеликі ділянки ДНК, зазвичай до 1500 bp, або молекулярного клонування для ділянок більшої довжини.

Отримана ДНК може бути проаналізована за допомогою рестрикційного аналізу, тобто розрізання ДНК на певних ділянках за допомогою рестриктаз, та розділення отриманих фрагментів за допомогою гелевого електрофорезу, а потім, якщо необхідно, їхньої візуалізації за допомогою саузерн-блоту. В деяких випадках можливий одночасний аналіз цілих геномів, для чого використовуються ДНК-мікрочіпи, тобто матриці, на які нанесені флюоресцентно мічені комплементарні ДНК, що дозволяє проведення порівняльної гібридизації геномів та аналіз рівня експресії бігатьох генів одночасно (хоча в останньому випадку мова йде про детекцію РНК, а не ДНК). Ще одним з поширених методів роботи з ДНК є секвенування, тобто встановлення її нуклеотидної послідовності. Численні проекти секвенування та аналізу ДНК в останні роки 20-го століття та на початку 21-го привели до встановлення послідовностей та опису геномів багатьох організмів всіх головних таксономічних груп. Найбільшим та найвідомішим з них став проект геному людини.

8.2 Генна інженерія

Сучасні біологія і біохімія інтенсивно використовують методи, засновані на рекомбінантній ДНК. Рекомбінантна ДНК - штучно створена людиною послідовність ДНК, частини якої можуть бути синтезовані хімічним шляхом, за допомогою ПЛР, або клоновані з ДНК різних організмів. Рекомбінантні ДНК можуть бути трансформовані в клітини живих організмів у складі плазмід або вірусних векторів. Генетично модифіковані тварини і рослини зазвичай містять рекомбінантні гени, вбудовані в їхні хромосоми. Тоді як генетично модифіковані бактерії і дріжджі використовуються для виробництва рекомбінантних білків, тварини використовуються в медичних дослідженнях, а рослини з покращеними харчовими якостями - в сільському господарстві.

8.3 Судово-медична експертиза

Судмедексперти використовують знайдені на місці злочину ДНК крові, сперми, шкіри, слини або волосся для ідентифікації злочинця. Процес ідентифікації називається генетичним фінґерпринтингом або визначенням картини (профайлу) ДНК. У фінґерпринтингу порівнюється варіабельні ДНК геному, наприклад, короткі тандемні повтори й послідовності мінісателітіврізних людей. Це дуже надійний метод визначення злочинців, хоча визначення може бути утруднене при забрудненні сцени злочину ДНК інших людей.

Фінґерпринтинг був розроблений в 1984 році британським генетиком Алеком Джеффрейсом (Alec Jeffreys) і вперше використаний як доказ у суді над Коліном Пітчфорком (Colin Pitchfork) в справі, де він був звинувачений у вбивстві й згвалтуванні.

Наразі в багатьох західних країнах, наприклад, Великобританії і США, у злочинців, звинувачених у злочинах деяких типів, забирається зразок ДНК для бази даних. Це допомогло визначити винних в раніше нерозкритих злочинах, оскільки ДНК зберігається на речових доказах. Ще цей метод використовується для визначення особи у разі масової загибелі людей та багатьох інших тестах. Зокрема, крім встановлення злочинців, метод фінґер-принтингу використовується для проведення тесту на батьківство, встановлення відповідності донорських органів, діагностики генетичних хвороб та дослідження популяцій тварин.

8.4 Біоінформатика

Біоінформатика включає обробку даних (data mining), що міститься в послідовності ДНК. Розвиток комп'ютерних методів зберігання і пошуку такої інформації привів до розвитку таких напрямів інформатики, що знайшли й інше застосування, як ССА (string searching algorithm), машинне навчання і організація баз даних. Алгоритми типу ССА, які шукають певну послідовність "букв" у більшій послідовності букв, були розроблені для пошуку специфічних послідовностей нуклеотидів. В інших комп'ютерних застосуваннях, наприклад,текстових редакторах найпростіші алгоритми справляються з цим завданням, але прогляд послідовності ДНК належить до складних задач, тому що вони дуже великі й складаються всього з чотирьох букв. Схожа проблема виникає при порівнянні послідовностей із різних організмів (sequence alignment), яке використовується у вивченні філогенетичних взаємин між цими організмами й функцій білків. Дані про послідовність цілих геномів, одним з найскладнішим з яких є геном людини, важко використовувати без опису, що вказує на положення генів і регуляторних послідовностей на кожній хромосомі. Ділянки ДНК, послідовності якої містять фрагменти, асоційовані з генами, що кодують білки або РНК, можуть бути знайдені за допомогою спеціальних алгоритмів, які дозволяють передбачити наявність продуктів експресії генів до їхнього виявлення в результаті експериментів.

8.5 ДНК і комп'ютери нового покоління

ДНК вперше була використана в обчислювальній техніці для розв'язку "проблеми гамільтонового шляху", окремого випадку NP-повної задачі. ДНК-комп'ютер має переваги над електронними комп'ютерами, оскільки теоретично вимагає менше енергії, займає менше місця і ефективніший завдяки можливості одночасних підрахунків (див. Паралельні обчислювальні системи). Інші задачі, наприклад, задача "абстрактних машин",задача здійсненності бульових формул і варіант задачі комівояжера були проаналізовані за допомогою ДНК-комп'ютерів. Завдяки компактності ДНК вона теоретично може знайти застосування в криптографії, де може використовуватися для конструювання одноразових шифроблокнотів.

Список використаної літератури

1. Історія біології з початку XX ст. до наших днів. М.: Наука, 1975.

2. Вікіпедія

3. Уотсон Дж. Д. Подвійна спіраль: спогади про відкриття структури ДНК. 1969.

4. Біологічна хімія. Ю.І.Губський, 2000.

5. Біохімія. Е.С. Северин, 2004.

Размещено на Allbest.ru

...