В цитоплазме каких клеток содержится кольцевая молекула днк
Для бактерий и сине-зеленых водорослей, которых принято причислять к классу прокариот (то есть доядерных живых организмов), характерно наличие бактериальной хромосомы. Это условное название, за которым скрывается единственная кольцевая молекула ДНК. Она имеется у всех клеток прокариот, располагается непосредственно в цитоплазме, не имея защитной оболочки.
Особенности доядерных микроорганизмов
Как становится понятным из определения прокариот, основное качество их строения заключается в отсутствии ядра. Кольцевая молекула ДНК отвечает за сохранность и передачу всей информации, которая понадобится новой клетке, созданной в процессе деления. Структура цитоплазмы очень плотная и она неподвижна. В ней нет ряда органоидов, которые выполняют важные функции в клетках эукариот:
- митохондрий,
- лизосом,
- эндоплазматической сети,
- пластидов,
- комплекса Гольджи.
В цитоплазме хаотично расположены рибосомы, которые «заняты» на производстве белков. Немаловажной является миссия по производству энергии. Ее синтез происходит в митохондриях, но строение бактерий исключает их наличие. Поэтому функцию данных органоидов взяла на себя именно цитоплазма.
В митохондриях имеется одна особенность, делающая их несколько схожими с бактериями, – в них хранится митохондриальная ДНК. Ее строение напоминает бактериальные хромосомы. ДНК в митохондриях собрана в отдельный кольцевой нуклеоид. Некоторые особо длинные органоиды могут содержать до десяти таких молекул. Когда в подобных митохондриях начинается процесс деления, то от них отделяется участок, содержащий в себе один нуклеоид. И в этом можно также найти сходство с бинарным делением бактерий.
Геном микроорганизмов
Процесс самовоспроизведения, во время которого происходит копирование важных данных из одного источника на другой, называют репликацией. Результатом этого действия (свойственного в том числе и для клеток бактерий) является создание себе подобной структуры. Участниками репликации (репликонами) у прокариотов считаются:
- кольцевая молекула ДНК,
- плазмиды.
Нуклеотиды ДНК у клеток бактерий расположены в определенной последовательности. Такое строение позволяет выстроить порядок аминокислот в белке. В каждом гене содержится уникальное число и расстановка нуклеотидов.
Все свойства и особенности прокариот определены их комплексом генов (генотипом). Если вести речь о микроорганизмах, то для них генотип и геном являются практически синонимами.
Фенотип является результатом взаимодействия совокупности генов и условий обитания. Он находится в зависимости от конкретных условий окружающей среды, но контролируется непосредственно генотипом. Это обусловлено тем, что все возможные изменения уже определены набором генов, составляющим участок кольцевой молекулы ДНК.
Генотип может меняться не только в зависимости от влияния окружающей среды. К его модификации могут приводить различные мутации или перестановки генов в строении молекулы ДНК. Исходя из этого, выделяют ненаследственную (средовую) изменчивость и наследственную (модификационную) форму изменений генотипа. Если нуклеотиды в кольцевой молекуле ДНК перестроились или были частично утеряны под воздействием мутации, то такое строение будет необратимым. А когда «виновником» изменений становятся факторы окружающей среды, то с их устранением исчезнут и вновь приобретенные качества.
Бактериальная хромосома
Кольцевая молекула ДНК в клетках различных представителей класса бактерий отличается по размерам. Но имеет схожее строение, как и функции, во всех случаях.
- Бактериальная хромосома у прокариотов всегда одна.
- Она находится в цитоплазме.
- Если в клетках у эукариотов молекула ДНК имеет линейное строение и считается более длинной (в ней имеется до 1010 пар оснований), то у бактерий она замкнута в кольцо. И еще бактериальная хромосома прокариот короче (5106 пар оснований).
- В одной кольцевой молекуле ДНК находится информация обо всех нужных функциях для жизнедеятельности бактерий. Эти гены можно поделить на 10 групп (по принципу процессов, которые они контролируют в клетке). Можно отобразить данную классификацию в виде таблицы.
| Процессы жизнедеятельности в клетках прокариот | Число изученных генов, которые находятся в клетке бактерий и отвечают за определенные процессы |
| Доставка клетке различных соединений и питательных веществ | 92 |
| Проведение синтеза фосфолипидов, жирных и аминокислот, нуклеотидов, витаминов и других соединений | 221 |
| Организация работы аппарата по синтезу белков | 164 |
| Синтез оболочки | 42 |
| Расщепление сложных органических веществ и другие реакции для выработки энергии | 138 |
| Катаболизм (переработка, расщепление) макромолекул белков, углеводов и жиров | 22 |
| Способность направленного движения к полезным веществам и от раздражителя (хемотаксис), подвижность бактерий в целом | 39 |
| Выработка АТФ (универсальная форма химической энергии, присущая любой живой клетке). Как упоминалось ранее, данный процесс у эукариотов протекает в митохондриях и является для этих органоидов основным родом деятельности | 15 |
| Репликация нуклеиновых кислот, в том числе и генов | 49 |
| Иные гены, в том числе и с неизученными функциями | 110 |
Вообще, одна хромосома способна нести в себе около 1000 известных генов.
Плазмиды
Еще одним репликоном прокариот являются плазмиды. У бактерий они представляют собой молекулы ДНК, имеющие строение в виде двух цепочек, замкнутых в кольцо. В отличие от бактериальной хромосомы они отвечают за кодирование тех «умений» бактерии, которые помогут ей выжить, если вдруг она окажется в неблагоприятных условиях для существования. Они могут автономно воспроизводить себя, поэтому в цитоплазме может быть несколько копий плазмид.
Трансмиссивные репликоны способны передаваться из одной клетки в другую. Они несут в своей кольцевой молекуле ДНК некоторые признаки, которые причисляют к категории фенотипических изменений:
- выработка устойчивости к антибиотикам;
- способность продуцировать колицины (белковые вещества, способные уничтожать микроорганизмы того же рода, что послужили источником их возникновения);
- переработка сложных органических веществ;
- синтез антибиотических веществ;
- способность проникать в организм и вызывать заболевания;
- возможность преодолевать защитные механизмы, размножаться и распространяться в организме;
- умение вырабатывать токсины.
Последние три «навыка» называют факторами патогенности, знания о которых содержит в себе кольцевая молекула ДНК плазмид. Именно благодаря этим факторам болезнетворные бактерии становятся опасными для человеческого организма.
Таким образом, кольцевая молекула ДНК, имеющаяся у всех прокариот, одна несет в себе целый комплекс навыков, полезных для их выживания и жизнедеятельности.
Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.
Источник
Описание и история
ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота) полимер, выполняющий функции хранения, передачи и реализации информации жизнедеятельности организмов. Она служит информационным носителем о структуре разнообразных видов РНК и белков.
Ядро клетки прокариотов содержит кольцевую ДНК – замкнутый полимер, не имеющий концевых генов. Для этих молекул (нуклеотиды), характерно прикрепление в клетках к мембране изнутри. В клетках прокариотов и низших эукариотов присутствуют кольцевые плазмиды. Линейную ДНК содержат клетки животных, растений и грибов (эукариот).
Начало бурного развития молекулярной биологии спровоцировало в 1953 г. открытие двухцепочной структуры. Выдающиеся ученые, внесшие решающий вклад в этот прорыв Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон, Морис Уилкинс в 1962 г. удостоились Нобелевской премии.
Носители
Некоторые вирусы содержат геномную ДНК кольцевой формы. У человека кольцевая ДНК находится в митохондриях цитоплазме. Носители кольцевой это клетки доядерных организмов – прокариотов: клеточные органоиды митохондрии и пластиды; простейшие одноклеточные бактерии. Прокариоты представлены множеством видов.
Кольцевая ДНК
Фототрофы представители — хлорофиллы и каротиноиды, используют свет в качестве источника энергии. Серные бактерии, усваивая водород, окисляют сероводород до серы и сульфатов. Цианобактерии расщепляя воду, выделяют молекулярный кислород. Бактерии – хемоавтотрофы для получения энергии используют неорганические вещества. Получают из аммиака нитриты, усваивая углерод. Они способны выполнять окисление двухвалентного железа до трехвалентного. Бактерии – органотрофы, использующие химическую реакцию брожения, как источник жизни. Их еще называют анаэробными.
Также существуют прокариоты, приспособившиеся жить в организме живых существ. Среди них встречаются виды, приносящие пользу своим хозяевам. Например, бактерии помогающие пищеварению и усвоению полезных веществ. Есть виды, не приносящие ни вреда, ни пользы.
Среди прокариотов встречаются виды, паразитирующие на своем носителе вызывающие болезни. Например, дизентерийная палочка, холерный вибрион, дифтерийная палочка, пневмококки, палочка Коха, чумная палочка, спирохеты, бактерия ботулизма. Все эти бактерии вызывают серьезные и опасные заболевания.
Еще один представитель прокариотов цианеи — сине-зелёные водоросли. Они очищают воду, помогают минерализации продуктов гниения.
Репликация
Кольцевое строение ДНК наиболее эффективно для ее удвоения, то есть репликации. Репликация кольцевого типа достаточно простой процесс удвоения молекулы. То есть по принципу комплементарности происходит разделение и наращивание по еще одной цепочке. В результате получаем две дочерние ДНК, идентичные копии исходной. Репликация не что иное, как рост многоклеточного организма или размножение одноклеточного. В случае кольцевого строения молекулы процесс удвоения протекает наиболее точно без погрешности за счет отсутствия концевых генов.
Применение и перспективы
Новая эра в медицине это изобретение вакцин. Сейчас на разработку вакцин направлено много научных исследований. Целью подобных изысканий служит предупреждение заболеваемости человека.
Производство ДНК-вакцин происходит с помощью методики рекомбинантной ДНК. Заражающая бактерия ослабляется путем искусственных мутаций генов. Подобный принцип применяют для производства живых рекомбинантных вакцин. Их получают, вводя ген, кодирующий иммуногенный протеин клетки, а затем встраивают внутрь стабильного полимера кольцевой ДНК — плазмиду. Помимо того в плазмиду встраиваются элементы, для эффективной вставки гена в клетку эукариота и синтеза белка. Преобразованную плазмиду помещают в бактериальную среду для размножения. После из бактерий получают плазмидную ДНК, очищая от примесей. Это и есть живая вакцина. Она способствует невосприимчивости к возбудителям болезни. Эти плазмиды, не проникают в человеческие хромосомы.
Способность живых вакцин вырабатывать иммунитет по отношению к болезнетворным возбудителям доказана.
Генная инженерия предоставляет большие возможности преобразования клеток эукариотов и прокариотов для выработки белка. Что позволяет проанализировать строение и функции белков для применения их как лекарство.
Внутрь простейших организмов вводятся гены, продуцирующие важные белки для медицинских целей. Научные лаборатории применяют специализированное оборудование для получения лекарств (антибиотиков, ферментов, гормонов, витаминов, других активных соединений) из специально выведенных микроорганизмов.
Один из примеров кишечная палочка. Ее клетки служат для воспроизводства человеческого гормона инсулина. Выработанный таким образом гормон не имеет примесей, не дает нежелательных эффектов по сравнению с животным инсулином. Кишечная палочка способна продуцированию соматотропина. Раньше его производили из трупного материала, но такой гормон мог включать вирусы. Препарат интерферон противовирусного значения рожден в лаборатории благодаря генной инженерии.
Основа генотарапии — открытие структуры ДНК. Основополагающим является, исправление генетического материала посредством подконтрольного изменения.
Сегодня стадию разработки проходит задача доставки генетически активного материала к проблемным клеткам, содержащим дефектный ген. То есть, главное, организовать эффективный способ доставки и обеспечить длительное функционирование генетического материала. Как один из способов применение чистой ДНК, встраиваемой в плазмиду. Сам вопрос доставки корректирующего материала практически решен. Но такие задачи, как стабильность, регулируемость, безопасность материала проходят стадию доработки.
Генотерапия открывает большие перспективы в лечении наследственных заболеваний, нарушений центральной нервной системы, инфекционных и онкологических заболеваний.
Несмотря на существенное продвижение науки в изучении структуры остается много вопросов. Самый актуальный вопрос это причина наличия кольцевой ДНК у простейших организмов, а линейной — у высших организмов.
Источник
ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — высокополимерное природное соединение, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.
Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров — нуклеотидов.
Молекулы ДНК обладают очень высокой молекулярной массой — до сотен миллионов. Лишь в митохондриях, а также некоторых вирусах и бактериях молекулярная масса ДНК значительно меньше; в этих случаях молекулы ДНК обычно имеют кольцевую структуру.
Размеры молекул ДНК. Молекулы ДНК обладают очень высокой молекулярной массой — до сотен миллионов атомных единиц массы, а длина молекулы может достигать нескольких сантиметров!
Размер ДНК выражается в парах нуклеотидов (пн).
Характеристика молекул ДНК некоторых организмов
| Источник | Молекулярная масса | Длина молекулы | Размер (пн) | Тип структуры |
|---|---|---|---|---|
| Бактериофаг φ Х174 | 1,6 х 106 | 1,6 мкм | 5 х 103 | Кольцевая одноцепочечная |
| Бактериофаг Т2 | 1,2 х 108 | 50 мкм | 2 х 105 | Кольцевая двухцепочечная |
| Хромосома бактерии инфлюэнцы | 7,9 х 108 | 300 мкм | 1,2 х 106 | Неизвестен |
| Хромосома кишечной палочки | 2,6 х 108 | 1 мм | 4 х 106 | Кольцевая двухцепочечная |
| Хромосома №12 дрожжей | 1,5х 109 | 500 мкм | 2,2 х 106 | Линейная двухцепочечная |
| Хромосома №3 мухи дрозофилы | 4,2 х 1010 | 16 мм | 6,3 х 107 | Линейная двухцепочечная |
Общая длина молекул ДНК у человека и человекообразных обезьян составляет около 3 миллиардов нуклеотидов. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК человека составляет около двух метров.
В клетках эукариот ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в митохондриях и пластидах.
В клетках прокариот кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут oбразовывать геном ДНК-содержащих вирусов.
ДНК — носитель генетической информации; отдельные участки ДНК соответствуют определенным генам. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков о строении, развитии и специфических формах обмена веществ.
ДНК служит также матрицей для синтеза рибонуклеиновых кислот (РНК), определяя тем самым их первичную структуру (транскрипция). Через посредство информационной РНК (иРНК) осуществляется трансляция — синтез специфических белков, структура которых задана ДНК в виде определенной нуклеотидной последовательности.
Пространственная структура ДНК. Полимер ДНК обладает довольно сложной структурой.
Дезоксирибонуклеотиды соединены между собой ковалентно в длинные полинуклеотидные цепи ковалентными фосфодиэфирными связями.
У большинства живых организмов ДНК состоит не из одной, а из двух полинуклеотидных цепей (кроме некоторых вирусов, обладающих одноцепочечными ДНК-геномами).
Две цепи попарно объединяются при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями нуклеотидов. Расположение нуклеотидов в цепях не случайное, а строго определенное: напротив аденина всегда располагается тимин, а напротив гуанина — цитозин (принцип комплементарности); при этом между аденином и тимином возникают две водородные связи, а между тимином и цитозином — три водородные связи.
Направления от 3′-конца к 5′-концу в двух цепях, из которых состоит молекула ДНК, противоположны (цепи «антипараллельны» друг другу).
Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде спирали, в природе эта спираль чаще всего — правозакрученная. Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть ребра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси спирали.
В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали». Ширина двойной спирали составляет от 22 до 24 Å (ангстрем), или 2,2 — 2,4 нм.
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах белков и РНК. Все типы РНК синтезируются на матрице ДНК в результате копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и затем принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Расшифровка структуры ДНК (1953 год) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1962 году.
Функции ДНК: хранение наследственной информации, передача наследственной информации следующему поколению, передача генетической информации из ядра в цитоплазму.
| Функция | Уровень | Пояснение |
|---|---|---|
| Хранение наследственной информации | У эукариот | ДНК входит в состав хромосом — специализированных структур в ядрах клеток, — предназначенных для хранения наследственной информации и правильного ее распределения в период деления клеток. Хроматиновая нить, слагающая хромосому, образована одной линейной двуцепочной молекулой ДНК, соединенной со специализированными ядерными белками |
| У прокариот | ДНК имеет замкнутую кольцевую форму и образует нуклеоид — регион неправильной формы внутри клетки прокариот, в котором находится генетический материал | |
| У вирусов | ДНК является формой хранения наследственной информации у ДНК- содержащих вирусов. ДНК вирусов может быть двухцепочной или одноцепочной (с последующим увеличением до двухцепочной в клетках хозяина). ДНК имеет линейную форму или кольцевую | |
| Передача наследственной информации | от материнской клетки — дочерним клеткам | Главное свойство молекулы ДНК — это процесс точного самокопирования — репликация (редупликация), — происходящий перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним |
| следующему поколению | При бесполом размножении генетическое единство поколений обеспечивается генетическим единообразием всех клеток материнского организма, из которых образуются новые дочерние организмы. При половом размножении количество, качество и разнокачественность генетического материала потомков обеспечивается сначала редукцией ДНК при образовании гамет и, затем, их слиянием | |
| из ядра в цитоплазму | Процесс транскрипции — синтез РНК на матрице ДНК — отвечает за передачу генетической информации из ядра в цитоплазму. Все иРНК являются переносчиками генетической информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка |
< Предыдущая страница “Органические вещества клетки. Нуклеиновые кислоты”
Следующая страница “РНК” >
Источник