Какое уникальное свойство есть у молекулы днк

С появлением первых «ГМО-детей» в Китае и вообще потоком новостей о редактировании ДНК стало ясно, что разбираться в генетике жизненно важно каждому из нас. «Лаба» начинает серию простых гайдов, чтобы разобраться в этой науке. А то как-то совсем тревожно.

Что такоек ДНК?

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это макромолекула, главное хранилище наследственной информации и генетической программы развития и функционирования живого организма.

ДНК имеет двухцепочечную структуру, где каждая цепочка представляет собой последовательность нуклеотидов: аденина, тимина, цитозина и гуанина. Нуклеотиды работают как небольшие «магнитики», которые сцепляют эти две цепочки водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином.

Длина ДНК обычно измеряется в числе пар нуклеотидов. У человека их около 3 миллиардов. ДНК человека сохраняется в ядре любой человеческой клетки в виде набора из 23 (в норме) хромосом.

И для чего нужна ДНК?

Соединенные вместе цепочки (знаменитая «двойная спираль» ДНК) представляют собой нечто похожее на винтовую лестницу. Каждая ступенька – это та самая пара нуклеотидов, например, аденин – тимин.

Крепления между ступеньками довольно прочные, а вот сами ступеньки – шаткие и легко переламываются, то есть разъединяются. И тогда на одной цепочке остается аденин, а на другой – тимин.

Это нужно для того, чтобы специальные белки могли «расплетать» ДНК и собирать на основе каждой цепочки комплементарную последовательности ДНК другую цепочку – РНК.

Так, не торопитесь. Что такое РНК?

РНК (рибонуклеиновая кислота) – это одноцепочечная последовательность, которая может выполнять совершенно разные задачи. РНК – своего рода зеркальное отражение ДНК. Если в ДНК на одном месте стоит аденин, то в РНК на том же месте будет тимин, и наоборот. Помните: нуклеотиды похожи на магнитики и соединяются только по парам.

Тем же самым зеркальным образом в РНК сохраняется та информация, что есть в ДНК.

А РНК чем занимается?

ДНК находится в ядре клетки, в специальных упаковках-хромосомах. А вот основная работа по синтезу белков происходит в цитоплазме клетки, где белки собирает специальная «машинка» –рибосома. Она связана с РНК.

Говоря по-простому, дело обстоит так. Белок расплетает ДНК, копирует информацию на РНК (зеркальным образом), а РНК доставляет информацию рибосоме.

В процессе этой доставки («процессинга») РНК проходит через целую последовательность преобразований, в частности, из нее вырезается информация, которая рибосоме не нужна.

Рибосома двигается по РНК и строит комплементарную цепочку. При этом она еще раз зеркально отражает информацию, возвращая ей изначальную ДНК-последовательность. И уже по комплементарной цепочке, расшифровывая генетический код, рибосома строит из подходящих аминокислот новые белки.

Зачем нужны белки?

Для того, чтобы клетка жила.

Некоторые белки поддерживают метаболизм клетки. Другие – вновь расплетают ДНК, строят РНК и доставляют информацию рибосоме. Третьи – организуют и реализуют деление клетки. Всю необходимую работу внутри клетки делают именно белки.

Если опять применить компьютерную метафору (надеюсь, ученые нас не побьют за огрубление), то ядро клетки с ДНК внутри, – это такой харддиск, где хранятся и данные, и программы.

Белки – это как раз программы, которые автоматически загружаются с харддиска и обрабатывают полученные данные.

Хорошо, а гены и ДНК – это не одно и то же?

Гены – часть цепочки ДНК. Это специальным образом оформленные – с концом и началом – отрезки цепочки, в которых закодированы белки и РНК. Внутри каждого гена находится особая последовательность нуклеотидов (например, ген CCR5 состоит 339 нуклеотидов).

Все гены, кодирующие белки, составляют около 2% ДНК. Еще 1% генов отвечают за кодирование РНК. А около 80% генов внутри ДНК выполняют вспомогательные функции, в частности, упаковки ДНК в ядре. Функции почти 20% ДНК в настоящее время неясны.

Внутри гена есть генетический код, правильно?

Да. Чтобы нормально синтезировать нужный белок и запустить его работу, информацию из ДНК надо доставить рибосоме, которая непосредственно занимается сборкой. Рибосома собирает белки из 20 аминокислот, а в ДНК только четыре нуклеотида.

Четырьмя нуклеотидами невозможно закодировать все 20 аминокислот – не хватает вариантов. Как же быть?

Спасает в этой ситуации как раз тот самый генетический код. Точнее, процесс кодирования с помощью нуклеотидов, выстроенных в определенную последовательность. Аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов в гене. Это позволяет «запрограммировать» не только 20, а 64 аминокислоты (в природе столько не нужно, так ученые уже пытаются понять, что еще могут делать аминокислоты)!

Так как можно «запрограммировать» аминокислоту?

Рибосома сдвигает по РНК считывающую рамку. Когда она считывает старт-кодон (это фиксированный набор из трех аминокислот, который дает команду: «Начало»), начинается считывание информации, необходимой для синтеза белка.

Рамка сдвигается – всегда на три нуклеотида – и рибосома поэтапно создает нужную аминокислоту. Когда рамка считывает стоп-кодон, синтез завершается.

Если при всей этой довольно сложной (и потому не самой надежной) процедуре будет потерян хотя бы один нуклеотид, рамка сдвинется неправильно и все последующие аминокислоты будут считаны неверно. Белок в таких условиях либо не удастся построить, либо он так изменится, что перестанет выполнять свои функции.

Описанная выше работа генетического кода – одно из древнейших изобретений эволюции, он работает практически одинаково как у человека, так и у бактерии.

Чем ген отличается от генома?

Геном – это весь наследственный материал организма, который содержит 3,1 млрд пар нуклеотидов.

Как редактируют ДНК?

Об этом мы совсем скоро напишем отдельный гайд. Все-таки процесс не самый простой, а вы, наверное, уже устали читать. Попробуем объяснить основную идею редактирования ДНК.

Раз уж мы знаем, где на «харддиске» человеческой клетки хранится кодирующая белки и РНК информация, давайте мы ее немного поправим! Это позволит улучшить всю работу клеток и всего организма. Но на этом пути очень много опасностей. О каких-то мы уже знаем, другие невозможно вычислить. По крайней мере, пока.

Источник

ДНК, что это такое простыми словами, и как оно устроено? Физически это макромолекула, которая не только хранит в себе, какую-то наследственную информацию, но и является подробной инструкцией по развитию всего организма условно из одной универсальной клетки.
Если сравнить человека с компьютером, а всё многообразие биологической жизни сравнить с различными формами роботизированных компьютеров, ДНК в этом сравнении будет биологическим языком программирования. С той лишь разницей, что биологические виды устроены намного сложнее и совершеннее самых передовых компьютеров.
К примеру, все биологические виды обладают уникальной способностью деления и преобразования клетки. Фактически, в ходе самовоспроизводства клетки, биомасса не только материализуется сама из себя, но и физически преобразовывается под решение множества узкоспециализированных задач. А всё многообразие живых видов, их форм, уникальных способностей исходит из деления одной универсальной клетки. Одно это уже уходит далеко за грань всех современных генетических достижений.

<br />

История открытия

Фактически открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло дважды. Первым открытие молекулы совершил Иоганн Фридрих Мишер в 1869 году. Будучи швейцарским биологом и физиологом, он из клеток, содержащихся в гное, смог выделить большую молекулу с высоким содержанием азота и фосфора. Свое открытие он назвал нуклеин, а позже нуклеиновой кислотой, когда были открыты её кислотные свойства.

Первоначально ученые считали, что основная функция нуклеиновой кислоты в хранении фосфора. А предположения, что она может содержать в себе наследственную информацию, вызывали насмешки, поскольку структура молекулы казалась им слишком простой и однообразной для таких функций. Так же считалось, что наличие дезоксирибонуклеиновой кислоты свойственно только животным клеткам, а в растениях содержится только РНК. Но, в 1934-1935 годах советские ученые-биологи А.Н. Белозерский и А.Р. Кезеля – это наглядно опровергли и опубликовали результаты своих работ в советских и мировых научных журналах.

Повторное открытие ДНК уже в качестве носителя наследственной информации и не только, было совершено в 1944 году. Группа исследователей, состоящая из Освальда Эвери, Колина Маклауда и Маклина Маккарти проводили эксперименты с трансформацией бактерий и доказали, что основную роль в этом процессе играет дезоксирибонуклеиновая кислота .

Значение ДНК в медицине

Открытие ДНК в медицине, расшифровка этой кислоты – это события, которые трудно преувеличить. Большая часть современных прорывных технологий и исследований прямо или косвенно базируются на этом фундаментальном для науки открытии. Не знай мы про гены, не было бы многих современных методов лечения и диагностики, многих технических изобретений. По сути, не было бы и генетики, как полноценной самостоятельной науки. Застопорилось бы изучение клетки и того, как она функционирует. А без этих знаний и множество открытий в этой области были бы не возможны.

На сегодняшний день знания о генах помогают многим людям:

Узнать о заболевании намного раньше наступления первых симптомов. Лечение на сверхранней стадии всегда более успешно.
Найти своих близких и родных. Узнать много подробностей о своём роде.
Благодаря открытию носителя наследственной информации у медицины появился шанс побороть наследственные заболевания, которые ранее казались неизлечимыми.
Вполне возможно, что именно благодаря этому открытию человечество решит задачу многих тысячелетий и найдет эликсир бессмертия, или таблетку от всех болезней.

Молекула ДНК

ДНК определение, поиск его места в уже систематизированном знании не так прост. По существу к молекулам ДНК отнесли условно, для удобства. Молекула ДНК – это структура превосходящая размером обычные молекулы. И она имеет уникальную спиральную структуру. В то время, как физики и химики считают молекулами электрически нейтральные частицы, состоящие из одного и более атомов связанных ковалентными связями. Либо же, по результатам международного съезда химиков 1860, молекулой считается наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

Структура ДНК

У всех на слуху, что дезоксирибонуклеиновая кислота имеет двуспиральную структуру. В интернете, в фильмах, в рекламе – всюду можно встретить её многократно увеличенное изображение. Но, что ответить, если спросят «Объясните подробнее»? Это уже более сложный вопрос. Давайте разберемся лучше, из чего эта структура состоит:

Нуклеотиды – базовые структурные элементы.
Две цепочки генов, закрученные в спираль.
Каждая цепочка состоит из нуклеотидов, которые кодируют определенный ген.
Связывают две цепочки воедино водородные связи.

В цепочках нуклеотидов присутствуют и совсем не изученные структуры, которые с первого взгляда, ни как не участвуют в физиологических процессах. Эти, довольно обширные участки называют мусорными.

Состав ДНК

Если говорить о составе ДНК более подробно, то нуклеотиды это базовый структурный элемент, кирпичики из которых состоят обе цепи спирали. Нуклеотиды подразделяются на 4 разновидности: аденин, тимин, гуанин и цитозин. И всего 4 этих нуклеотида осуществляют запись всей наследственной информации и составляют все известные гены.

Закручиваются в спираль обе цепочки генов тоже не просто так. Из всех четырёх различных нуклеотидов находиться напротив друг друга в разных цепочках они могут только двумя парами: аденин-тимин и гуанин-цитозин. В науке эти пары называются комплементарными.

Между парными нуклеотидами возникает крепкая водородная связь. При этом, связь аденином и тимином немного слабее чем между гуанином и цитозином. Но закручиваются цепочки в спираль по иным причинам:

Исследования показали, что скручивание помогает сократить длину цепочки генов в 5-6 раз. А во время суперспирализации (такое тоже бывает) длина цепочки может сократиться в целых 30 раз!
Помимо того, что пара цепочек генов закручена в спираль, существует и суперспирализация. За это явление отвечают гистоновые белки, которые имеют форму катушек для ниток. Уже закрученная двойная спираль наматывается на эти белки, как нитка. Что не оставляет сомнений в том, что спиральность, как таковая специально служит тому, что бы более компактно упаковать наследственную информацию в клетку.

Роль в клетке

Конечно одна, даже большая двойная спираль не способна вместить в себя весь объем информации необходимый для такого сложного проекта, как человеческое тело. Возможно, поэтому эти цепочки объединены в пары, что делает их похожими на букву «Х». Хромосомы в свою очередь тоже парные, и их у человека 46 пар.

Помимо того, что хромосома содержит в себе подробную инструкцию по функционированию клетки, она же путем активации актуальных моменту генов, провоцирует клетку вырабатывать определённые белки с самыми различными свойствами. Например, в борьбе с опухолями активно участвует ген старости, который старит её недоброкачественнее клетки и не даёт им бесконечно делиться.

Что такое нуклеотиды

Нуклеотиды это четыре элемента, которые являются основой биоязыка программирования цепи ДНК, так же, как ноль и единица являются основой ассемблера (первого из языков программирования). Уникальная последовательность нуклеотидов в одной из двух цепочек ДНК является геном. Если хотя бы немного изменить эту последовательность, то ген уже будет повреждён или разрушен.

Синтез белка

Синтез белков это ключевое таинство всей физиологии человека. Именно белки запускают и контролируют все процессы в организме на клеточном уровне. Если полностью изучить, какие гены и группы генов в каких случаях запускают синтез белков, и сами эти белки, то наука научиться полностью настраивать и перенастраивать весь человеческих организм.

На сегодняшний день нам известно, что реагируя на различные раздражители, в двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты активируются гены или участки с генами. Информация с этих участков копируется на РНК (рибонуклеиновая кислота) и уже РНК переносить информацию из ядра клетки, в котором находятся хромосомы, в саму клетку. РНК выступает своего рода глашатаем, который читает указ всем работникам. Так РНК заставляет клетку вести себя тем либо иным образом и вырабатывать различные белки.

Что такое РНК

Если ДНК это кабинет министров, которые всем управляют и принимают все решения, то РНК это пресс-атташе. Он извещает всех о новых распоряжениях и указах, и раздаёт инструкции на местах.

РНК это рибонуклеиновая кислота, которая может копировать формы различных участков дезоксирибонуклеиновой кислоты и транспортировать их из ядра клетки в её внутриклеточное пространство.

Расшифровка ДНК

ДНК расшифровка стала возможна только благодаря открытию полимеразной цепной реакции и происходит следующим образом:

Проба, содержащая образцы дезоксирибонуклеиновой кислоты, быстро нагревается. Это необходимо, что бы двойная спираль раскрутилась и распалась на две самостоятельные нити.

К интересующему исследователей участку цепи генов прилепляется полимераза. Эта процедура происходит при немного боде низких температурах.
Полимераза активирует деление пойманного участка – так происходит синтез необходимых для изучения участков генов.
Участки пропитываются специальной краской, которая светиться при воздействии направленного пучка лазера. Так получают картину гена, которую можно изучать и расшифровывать.

Источник

Наследственный материал человека, известный как дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК, представляет собой длинную молекулу, содержащую информацию, необходимую организму для развития и размножения. ДНК находится в каждой клетке тела и передается от родителя к ребенку.

ДНК является самовоспроизводящимся материалом, который есть в каждом живом организме. Проще говоря, это носитель всей генетической информации. Он содержит своеобразные инструкции, необходимые организму для развития, роста, размножения. Это одна длинная молекула, которая содержит наш генетический «код». Этот «код» является отправной точкой для нашего развития, но влияние внешних факторов, таких как наш образ жизни, окружающая среда и питание, в конечном итоге формируют человека.

Из чего состоит ДНК?

ДНК состоит из молекул, известных как нуклеотиды. Каждый нуклеотид содержит сахарную и фосфатную группу, а также азотистые основания. Эти азотистые основания далее подразделяются на четыре типа, в том числе:

аденин (А)
цитозин (С)
гуанин (G)
тимин (T)

Структура ДНК представляет собой двухцепочечную спираль, и она напоминает вид витой лестницы. Сахар и фосфаты — это нуклеотидные нити, которые образуют длинные стороны. Основания азота — это ступеньки. Каждая ступенька на самом деле представляет собой два типа азотистых оснований, которые соединяются вместе, образуя целостную ступеньку и удерживая длинные нити нуклеотидов вместе.

Строение ДНК.jpg

Скачать наглядный материал в большом разрешении

ДНК человека уникальна тем, что состоит из почти 3 миллиардов пар оснований, и около 99 процентов из них одинаковы для каждого человека. Тем не менее, именно последовательность этих оснований определяет, каким будет этот организм.

Подумайте о ДНК как об отдельных буквах алфавита — буквы объединяются друг с другом в определенном порядке, образуя слова, предложения и истории. Та же самая идея верна для ДНК: то, как азотистые основания упорядочены в последовательностях ДНК, формирует гены, которые «говорят» вашим клеткам, как производить белки. Рибонуклеиновая кислота (РНК), другой тип нуклеиновой кислоты, образуется в процессе транскрипции (при репликации ДНК). Функция РНК заключается в том, чтобы транслировать генетическую информацию из ДНК в белки, когда она декодируется рибосомой.

Как работает ДНК ?

ДНК содержит жизненно важную информацию, которая передается из поколения в поколение. Молекулы ДНК в ядре клетки плотно обвиваются, образуя хромосомы, которые помогают хранить важную информацию в виде генов.

ДНК работает путем копирования себя в эту одноцепочечную молекулу под названием РНК. РНК похожа на ДНК, но она содержит некоторые существенные молекулярные различия, которые выделяют ее. РНК действует как посланник, передавая жизненно важную генетическую информацию в клетке от ДНК через рибосомы для создания белков, которые затем образуют все живое.

Как была обнаружена ДНК?

ДНК была открыта в 1869 году швейцарским исследователем Фридрихом Мишером, который первоначально пытался изучить состав лимфоидных клеток (лейкоцитов). Вместо этого он выделил новую молекулу, которую он назвал нуклеин (ДНК с ассоциированными белками) из ядра клетки. Хотя Мишер был первым, кто определил ДНК как отдельную молекулу, несколько других исследователей и ученых внесли свой вклад в наше понимание ДНК в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. И только в начале 1940-х годов роль ДНК в генетическом наследовании начали изучать и понимать.

Кто открыл ДНК?

Полный ответ на вопрос, кто открыл ДНК, сложен, потому что, по правде говоря, многие люди внесли свой вклад в то, что мы знаем об этом сейчас.

1866 — Грегор Мендель, известный как «Отец генетики», был фактически первым, кто предположил, что характеристики передаются из поколения в поколение. Мендель обосновал термины, которые мы все знаем сегодня: рецессивные и доминирующие признаки.

1869 — Фридрих Мишер идентифицировал «нуклеин», выделив молекулу из ядра клетки, которая впоследствии стала известна как ДНК.

1881 — лауреат Нобелевской премии немецкий биохимик Альбрехт Коссель, которому приписывают наименование ДНК, идентифицировал нуклеин как нуклеиновую кислоту. Он также выделил те пять азотистых оснований, которые в настоящее время считаются основными строительными блоками ДНК и РНК: аденин (A), цитозин ©, гуанин (G) и тимин (T) (который заменяется урацилом (U). ) в РНК).

1882 — Вскоре после открытия Косселя Вальтер Флемминг обнаружил митоз в 1882 году, став первым биологом, который выполнил полностью систематическое исследование деления хромосом. Его наблюдения, что хромосомы удваиваются, важны для позже обнаруженной теории наследования.

Начало 1900-х годов — Теодор Бовери и Уолтер Саттон независимо работали над тем, что сейчас известно как теория хромосом Бовери-Саттона или хромосомная теория наследования. Их выводы являются основополагающими в нашем понимании того, как хромосомы переносят генетический материал и передают его из поколения в поколение.

1944 — Освальд Эвери обосновал, что ДНК, а не белки, трансформируют свойства клеток.

1944 — 1950 — Эрвин Чаргафф обнаружил, что ДНК отвечает за наследственность. Его открытия, известные как «Правила Чаргаффа», доказали, что единицы гуанина и цитозина, а также единицы аденина и тимина одинаковы в двухцепочечной ДНК, и он также обнаружил, что ДНК различается у разных видов.

Конец 1940-х годов — Барбара Мак-Клинток обнаружила мобильность генов. Ее открытие «прыгающего гена» или идеи о том, что гены могут перемещаться по хромосоме, принесло ей Нобелевскую премию по физиологии.

1951 — работа Розалинд Франклин доказала спиральную форму ДНК, что было подтверждено Уотсоном и Криком почти два года спустя. Ее выводы были признаны только посмертно.

25 апреля 1953 — Уотсон и Крик, опираясь на достижения Чаргаффа и Франклин, опубликовали структуру двойной спирали ДНК. Этот день во всем мире отмечается как день ДНК.

Будущее ДНК

Мы проделали большой путь с точки зрения нашего понимания ДНК 150 лет назад. Но все же, многое еще предстоит изучить. Полное понимание ДНК всех живых существ может однажды способствовать решению таких проблем, как голод, эпидемии и изменение климата. Потенциал исследований действительно неограничен, и, мягко говоря, захватывающий.

Источник