STRUKTURELL OCH FUNKTIONELL ORGANISATION AV GENETISKT MATERIAL

4.2 Egenskaper hos DNA som en substans av ärftlighet och föränderlighet

4.2.3 Förändringar i DNA-nukleotidsekvenser.

4.2.4 Elementära variabilitetsenheter för genetiskt material. Mouton. Recon

4.2.6 Mekanismer som minskar den negativa effekten av genmutationer

4.3 Användning av genetisk information i livsprocesser

4.3.2 Särdrag hos organisationen och uttrycket av genetisk information i pro- och eukaryoter

1. Ärftlighet och föränderlighet - de levandes grundläggande egenskaper

Livet som ett speciellt fenomen kännetecknas av existensens varaktighet i tid (på jorden uppstod det för mer än 3,5 miljarder år sedan), vilket säkerställs av kontinuiteten i generationer av levande system. Det sker en förändring i generationerna av celler i kroppen, en förändring av generationerna av organismer i populationer, en förändring av arter i biocenossystemet, en förändring i biocenoserna som bildar biosfären. Levande systems förmåga att självreproducera ligger till grund för livets kontinuerliga existens i tiden. Bevarandet av liv under föränderliga förhållanden är möjligt på grund av utvecklingen av levande former, under vilka de har förändringar som ger anpassning till en ny miljö. Tillvarons kontinuitet och den levande naturens historiska utveckling beror på två grundläggande egenskaper hos livet: ärftlighet och föränderlighet.

I utbildningskurser betraktas traditionellt egenskaperna hos ärftlighet och variabilitet i relation till cellen och organismen. Faktum är att de också manifesterar sig på supraorganismnivåer. På cellulära och organismiska (ontogenetiska) nivåer av organisering av levande saker, förstås ärftlighet som egenskapen hos celler eller organismer i processen för självreproduktion för att överföra förmågan till en viss typ av metabolism och individuell utveckling till en ny generation, under vilka de bildar gemensamma drag och egenskaper hos en given celltyp och typ av organismer, såväl som vissa individuella egenskaper hos föräldrar. På populations-artnivån av livsorganisationen manifesteras ärftligheten i upprätthållandet av ett konstant förhållande mellan olika genetiska former i ett antal generationer av organismer av en given population (art). På den biokenotiska nivån säkerställs biocenosens fortsatta existens genom bevarandet av vissa förhållanden av de arter av organismer som bildar denna biocenos.

Under uppkomsten och utvecklingen av livet på jorden spelade ärftlighet en avgörande roll, eftersom den konsoliderade biologiskt användbara evolutionära förvärv i ett antal generationer, vilket säkerställde en viss konservatism i organiseringen av levande system. Ärftlighet är en av evolutionens huvudfaktorer.

Den levande naturens fortsatta existens i tid mot bakgrund av förändrade förhållanden skulle vara omöjlig om inte levande system hade förmågan att förvärva och upprätthålla vissa förändringar som är användbara i nya miljöförhållanden. Levande systems egenskap att förvärva förändringar och existera i olika varianter kallas variabilitet.

I individuella celler och organismer av samma art manifesterar variabilitet, som påverkar deras individuella utveckling, sig i utseendet av skillnader mellan dem. På populations-artnivån av livsorganisationen manifesteras denna egenskap i närvaron av genetiska skillnader mellan individuella populationer av en art, vilket ligger till grund för bildandet av nya arter. Uppkomsten av nya arter introducerar förändringar i interspecifika relationer i biocenoser. I en viss mening speglar variabilitet dynamiken i organiseringen av levande system och är tillsammans med ärftlighet den ledande faktorn i evolutionen. Trots det faktum att ärftlighet och föränderlighet, enligt deras resultat, är flerriktade, bildar dessa två grundläggande egenskaper i den levande naturen en oskiljaktig enhet, som samtidigt säkerställer bevarandet av befintliga biologiskt ändamålsenliga egenskaper i evolutionsprocessen och uppkomsten av nya som göra livet möjligt under olika förhållanden.

2. Historien om idébildningen om organisationen av det materiella substratet för ärftlighet och föränderlighet

Ärftlighet och variation, som de viktigaste egenskaperna hos alla levande system, säkerställs genom att ett speciellt materialsubstrat fungerar. Under den biologiska vetenskapens historiska utveckling växer idéer om dess egenskaper, organisation och kemiska natur ständigt och blir mer komplexa.

På 60-talet. 1800-talet grundaren av genetik (vetenskapen om ärftlighet och föränderlighet) G. Mendel (1865) gjorde de första antagandena om organisationen av ärftligt material. Baserat på resultaten av sina experiment på ärter kom han fram till att arvsmaterialet är diskret, d.v.s. representeras av individuella ärftliga lutningar som är ansvariga för utvecklingen av vissa egenskaper hos organismer. Enligt Mendel, i det ärftliga materialet av sexuellt reproducerande organismer, tillhandahålls utvecklingen av en enskild egenskap av ett par alleliska böjelser som kom med könsceller från båda föräldrarna. Under bildandet av könsceller kommer endast en av ett par alleliska lutningar in i var och en av dem, därför är könscellerna alltid "rena". 1909 V. Johansen kallade Mendels "ärftliga böjelser" gener.

80-tal 1800-talet präglades av viktiga framsteg inom cytologiområdet: mitos och meios beskrevs - uppdelningen av somatiska respektive könsceller, under vilka kärnstrukturer - kromosomer - regelbundet fördelas mellan dotterceller (V. Voldeyer, 1888).

Data om arten av fördelningen av kromosomer i celldelningsprocessen gjorde det möjligt i början av 1900-talet. Boveri (1902-1907) och W. Setgon (1902-1903) drar slutsatsen att kontinuiteten hos egenskaper i ett antal generationer av celler och organismer bestäms av kontinuiteten hos deras kromosomer. Kromosomer började betraktas som materiella bärare av det ärftliga programmet.

Vidareutvecklingen av kromosomteorin om ärftlighet, som kombinerar idéer om ärftliga lutningar och kromosomer, genomfördes i början av 1900-talet. T. Morgan och hans medarbetare. I experiment utförda på Drosophila bekräftades det tidigare angivna antagandet om kromosomernas roll för att säkerställa ärftlighet. Det har fastställts att gener är lokaliserade i kromosomer, belägna i dem i linjär ordning. Generna för varje kromosom bildar en kopplingsgrupp, vars antal bestäms av antalet kromosomer i könscellerna. Gener av samma kopplingsgrupp ärvs som regel tillsammans. Men i vissa fall sker deras rekombination på grund av korsning, vars frekvens beror på avståndet mellan generna.

Således återspeglades en av genetikens viktigaste principer, enheten av diskrethet och kontinuitet hos ärftligt material, i kromosomteorin.

Det bör noteras att även i början av XX-talet. fakta upptäcktes som bevisade närvaron i celler av extrakromosomalt ärftligt material lokaliserat i olika cytoplasmatiska strukturer och bestämmer en speciell cytoplasmatisk ärftlighet (K. Korrens, 1908).

Ungefär samtidigt lade X. de Vries (1901) grunden för teorin om mutationsvariabilitet förknippad med plötsliga förändringar i ärftliga lutningar eller kromosomer, vilket leder till förändringar i vissa tecken på organismen. Under de följande åren visade sig röntgenstrålar, strålning, vissa kemikalier och biologiska medel ha en mutagen effekt på kromosomer och gener.

Som ett resultat av dessa studier blev det uppenbart att ärftlighet och variabilitet beror på funktionen hos samma materialsubstrat.

Under de första decennierna av XX-talet. data erhölls som vittnar till förmån för egenskapernas beroende av arten av samspelet mellan gener, vilket gick utöver de relationer av dominans och recessivitet som beskrevs av Mendel. Från detta kom idén om den genetiska apparaten som ett system av interagerande gener - genotypen, som är koncentrerad i kromosomuppsättningen - karyotypen.

Studien av den kemiska sammansättningen av kromosomer avslöjade två huvudtyper av föreningar som bildar dessa strukturer - proteiner och nukleinsyror. Under första hälften av XX-talet. forskare löste frågan om den kemiska naturen hos substratet för ärftlighet och variabilitet. Inledningsvis kom förslag till förmån för proteiner. 1928, F. Griffith startade ett experiment på pneumokocker, där en förändring (transformation) av vissa ärftliga egenskaper hos en bakteriestam observerades under påverkan av material som erhållits från dödade celler från en annan stam. Den kemiska naturen hos ämnet som omvandlar bakteriers ärftliga egenskaper fastställdes först 1944. O. Avery, som bevisade att det tillhör nukleinsyror (DNA).

Andra bevis för inblandning av DNA för att säkerställa ärftlighet och variabilitet är:

1) konstanten av DNA-innehållet i alla typer av somatiska celler i kroppen;

2) DNA-innehållets överensstämmelse med cellernas ploidi (i somatiska celler är det dubbelt så mycket som i könsceller, i polyploida celler motsvarar det antalet uppsättningar kromosomer);

3) fenomenet genetisk rekombination i bakterier under deras konjugation, under vilket en del av DNA penetrerar från en cell till en annan och ändrar egenskaperna hos den senare;

4) förändra de ärftliga egenskaperna hos bakterieceller genom att överföra DNA från en stam till en annan med hjälp av en DNA-fag - fenomenet transduktion;

5) infektiös aktivitet hos den isolerade nukleinsyran hos virus.

Ett viktigt resultat av den målmedvetna studien av nukleinsyror var skapandet av J. Watson och F. Crick (1953) av en rumslig modell av DNA-molekylen.

Under andra hälften av XX-talet. forskarnas ansträngningar syftar till att studera egenskaperna hos nukleinsyror som ligger till grund för deras genetiska funktioner, sätt att registrera och läsa ärftlig information, arten och strukturen hos den genetiska koden, mekanismerna för reglering av genaktivitet i processen för bildning av individuella egenskaper och fenotypen som helhet. På 60-talet. verken av M. Nirenberg, S. Ochoa, X. Korana och andra gjorde en fullständig avkodning av den genetiska koden, etablerade överensstämmelsen mellan nukleotidtripletter i nukleinsyramolekylen och vissa aminosyror. På 70-talet. Genteknikmetoder började aktivt utvecklas, vilket gör det möjligt att målmedvetet förändra de ärftliga egenskaperna hos levande organismer.

I slutet av 1900-talet blev det, tack vare nya molekylärgenetiska teknologier, möjligt att bestämma nukleotidsekvenserna i DNA-molekylerna i olika organismers genom (läsa DNA-texter). DNA-texterna i det mänskliga genomet, representerade av totalt 3 miljarder baspar, lästes mestadels år 2001. Den vetenskapliga och praktiska riktningen för molekylärbiologi, som syftar till att bestämma nukleotidsekvenserna för DNA-molekyler, kallas genomik.

3. Generella egenskaper hos det genetiska materialet och organisationsnivåer för den genetiska apparaten

Utifrån ovanstående definitioner av ärftlighet och föränderlighet kan vi anta vilka krav det materiella substratet för dessa två livsegenskaper måste uppfylla.

För det första måste det genetiska materialet vara kapabelt till självreplikation för att i processen för reproduktion, överför ärftlig information, på grundval av vilken bildandet av en ny generation kommer att utföras. För det andra, för att säkerställa egenskapernas stabilitet i ett antal generationer, måste arvsmaterialet bibehålla sin organisation konstant. För det tredje måste ärftlighetens och föränderlighetens material vara kapabelt att förvärva förändringar och reproducera dem, vilket gör det möjligt för den historiska utvecklingen av levande materia under föränderliga förhållanden. Endast om det uppfyller de specificerade kraven, kan det materiella substratet av ärftlighet och variation säkerställa varaktigheten och kontinuiteten i existensen av levande natur och dess utveckling.

Moderna idéer om arten av den genetiska apparaten gör det möjligt att särskilja tre nivåer av dess organisation: gen, kromosomal och genomisk. På var och en av dem manifesteras huvudegenskaperna hos materialet av ärftlighet och variation och vissa mönster för dess överföring och funktion.

4. Gennivå för organisationen av den genetiska apparaten

Den elementära funktionella enheten i den genetiska apparaten, som bestämmer möjligheten att utveckla en speciell egenskap hos en cell eller organism av en given art, är en gen (ärftlig avlagring, enligt G. Mendel). Genom att överföra gener i en serie generationer av celler eller organismer uppnås materiell kontinuitet - nedärvning av föräldraegenskaper från ättlingar.

Ett tecken förstås som en enhet av morfologiska, fysiologiska, biokemiska, immunologiska, kliniska och varje annan diskrethet hos organismer (celler), dvs. en separat egenskap eller egendom genom vilken de skiljer sig från varandra.

De flesta av egenskaperna hos organismer eller celler som anges ovan tillhör kategorin komplexa egenskaper, vars bildande kräver syntes av många ämnen, främst proteiner med specifika egenskaper - enzymer, immunoproteiner, strukturella, kontraktila, transport- och andra proteiner. Egenskaperna hos en proteinmolekyl bestäms av aminosyrasekvensen för dess polypeptidkedja, som är direkt specificerad av sekvensen av nukleotider i DNA från motsvarande gen och är en elementär eller enkel egenskap.

Huvudegenskaperna hos en gen som en funktionell enhet av den genetiska apparaten bestäms av dess kemiska organisation,

4.1 Kemisk organisation av genen

Studier som syftar till att klarlägga den kemiska naturen hos ärftligt material har ovedersägligt bevisat att det materiella substratet för ärftlighet och variabilitet är nukleinsyror, som upptäcktes av F. Miescher (1868) i puscellers kärnor. Nukleinsyror är makromolekyler, dvs. har hög molekylvikt. Dessa är polymerer som består av monomerer - nukleotider, inklusive tre komponenter: socker (pentos), fosfat och en kvävebas (purin eller pyrimidin). En kvävehaltig bas (adenin, guanin, cytosin, tymin eller uracil) är fäst vid den första kolatomen i C-1-pentosmolekylen, och ett fosfat fästs till den femte kolatomen C-5 "med hjälp av en eterbindning; den tredje kolatomen C-3" har alltid en hydroxylgrupp - OH (Fig. 1).

Kopplingen av nukleotider till en nukleinsyramakromolekyl sker genom interaktion av fosfatet från en nukleotid med hydroxylen i en annan så att en fosfodiesterbindning etableras mellan dem (fig. 2). Resultatet är en polynukleotidkedja. Kedjans ryggrad består av alternerande fosfat- och sockermolekyler. En av de kvävehaltiga baserna som listas ovan är fäst vid pentosmolekylerna i C-1 "position (fig. 3).

Figur 1. Diagram över nukleotidstrukturen

Se text för förklaring; beteckningarna på nukleotidkomponenterna som används i denna figur bibehålls i alla efterföljande nukleinsyrascheman

Sammansättningen av polynukleotidkedjan utförs med deltagande av polymerasenzymet, vilket säkerställer fästningen av fosfatgruppen i nästa nukleotid till hydroxylgruppen i position 3 "i den föregående nukleotiden (Fig. 3.3). På grund av noterad specificitet för verkan av det namngivna enzymet, tillväxten av polynukleotidkedjan sker endast i ena änden: där där den fria hydroxylen är i position 3". Början av kedjan bär alltid en fosfatgrupp i position 5 ". Detta gör att du kan välja 5" och 3 "ändarna i den.

Bland nukleinsyror särskiljs två typer av föreningar: deoxiribonukleinsyror (DNA) och ribonukleinsyror (RNA). Studien av sammansättningen av de huvudsakliga bärarna av ärftligt material - kromosomer - fann att deras mest kemiskt stabila komponent är DNA, som är substratet för ärftlighet och variabilitet.

4.1.1 DNA:s struktur. Modell av J. Watson och F. Crick

DNA består av nukleotider, som inkluderar socker - deoxiribos, fosfat och en av de kvävehaltiga baserna - purin (adenin eller guanin) eller pyrimidin (tymin eller cytosin). En egenskap hos DNA:s strukturella organisation är att dess molekyler inkluderar två polynukleotidkedjor som är sammankopplade på ett visst sätt. I enlighet med den tredimensionella DNA-modell som föreslogs 1953 av den amerikanske biofysikern J. Watson och den engelske biofysikern och genetikern F. Crick, är dessa kedjor förbundna med varandra genom vätebindningar mellan sina kvävebaser enligt komplementaritetsprincipen. Adenin i en kedja är förbundet med två vätebindningar med tymin i en annan kedja, och tre vätebindningar bildas mellan guanin och cytosin i olika kedjor. En sådan koppling av kvävehaltiga baser ger en stark koppling mellan de två kedjorna och upprätthåller ett lika stort avstånd mellan dem genomgående.

Fig.4. Diagram över DNA-molekylens struktur. Pilarna indikerar målens antiparallellism.

Ett annat viktigt särdrag för associationen av två polynukleotidkedjor i en DNA-molekyl är deras antiparallelism: 5"-änden av en kedja är ansluten till 3"-änden av den andra, och vice versa (fig. 4).

Röntgendiffraktionsdata visade att en DNA-molekyl bestående av två strängar bildar en spiral vriden runt sin egen axel. Helixdiametern är 2 nm, stigningslängden är 3,4 nm. Varje tur innehåller 10 par nukleotider.

Oftast är dubbla helixar högerhänta - när man rör sig upp längs spiralens axel vrids kedjorna åt höger. De flesta DNA-molekyler i lösning är i högerhänt - B-form (B-DNA). Det finns dock även vänsterhänta former (Z-DNA). Hur mycket av detta DNA som finns i celler och vilken biologisk betydelse det har har ännu inte fastställts (Fig. 3.5).

Fig. 5. Rumsliga modeller av vänsterhänt Z-form (I) och högerhänt B-form (II) av DNA

I den strukturella organisationen av DNA-molekylen kan man således särskilja den primära strukturen - en polynukleotidkedja, den sekundära strukturen - två komplementära och antiparallella polynukleotidkedjor förbundna med vätebindningar, och den tertiära strukturen - en tredimensionell helix med ovanstående rumsliga egenskaper.

4.1.2 En metod för att registrera genetisk information i en DNA-molekyl. Biologisk kod och dess egenskaper

I första hand bestäms all mångfald av livet av mångfalden av proteinmolekyler som utför olika biologiska funktioner i celler. Strukturen av proteiner bestäms av mängden och ordningen av aminosyror i deras peptidkedjor. Det är denna sekvens av aminosyror i peptider som krypteras i DNA-molekyler med hjälp av en biologisk (genetisk) kod. Den relativa primitiviteten hos DNA-strukturen, som representerar växlingen av endast fyra olika nukleotider, hindrade länge forskare från att betrakta denna förening som ett materiellt substrat för ärftlighet och variabilitet, där extremt mångsidig information bör krypteras.

1954 G. Gamow föreslog att kodningen av information i DNA-molekyler skulle utföras genom kombinationer av flera nukleotider. I den mängd proteiner som finns i naturen har man hittat ett 20-tal olika aminosyror. För att kryptera ett sådant antal av dem kan endast en triplettkod tillhandahålla ett tillräckligt antal kombinationer av nukleotider, där varje aminosyra är krypterad av tre intilliggande nukleotider. I detta fall bildas 4 3 = 64 tripletter av fyra nukleotider. En kod bestående av två nukleotider skulle göra det möjligt att koda endast för 4 2 = 16 olika aminosyror.

Den fullständiga avkodningen av den genetiska koden utfördes på 60-talet. vårt århundrade. Av de 64 möjliga DNA-tripletterna kodar 61 för olika aminosyror; de återstående 3 kallas meningslösa, eller "nonsenstrillingar". De kodar inte för aminosyror och fungerar som skiljetecken när man läser ärftlig information. Dessa inkluderar ATT, ACT, ATC.

Uppmärksamhet uppmärksammas på kodens uppenbara redundans, vilket visar sig i det faktum att många aminosyror krypteras av flera tripletter (fig. 6). Denna egenskap hos triplettkoden, som kallas degeneration, är mycket viktig, eftersom förekomsten av förändringar i DNA-molekylens struktur genom typen av ersättning av en nukleotid i polynukleotidkedjan kanske inte ändrar betydelsen av tripletten. Den resulterande nya kombinationen av tre nukleotider kodar för samma aminosyra.

I processen att studera egenskaperna hos den genetiska koden upptäcktes dess specificitet. Varje triplett kan koda för endast en specifik aminosyra. Ett intressant faktum är den fullständiga överensstämmelsen mellan koden i olika typer av levande organismer. Sådan universalitet av den genetiska koden vittnar om enheten i ursprunget för all mångfald av levande former på jorden i den biologiska evolutionsprocessen. Mindre skillnader i den genetiska koden finns i DNA från mitokondrier hos vissa arter. Detta motsäger i allmänhet inte uttalandet om kodens universalitet, men det vittnar till förmån för en viss divergens i dess utveckling i de tidiga stadierna av livets existens. Att dechiffrera koden i DNA från mitokondrier av olika arter visade att i alla fall har mitokondriellt DNA ett gemensamt drag: ACT-tripletten läses som ACC, och därför förvandlas den från en nonsenstriplett till aminosyrachifferet för tryptofan.

Fig. 6. Aminosyror och DNA-tripletter som kodar för dem

Andra egenskaper är specifika för olika arter av organismer. I jäst kodar GAT-tripletten och möjligen hela GA-familjen för treonin istället för aminosyran leucin. Hos däggdjur har TAG-tripletten samma betydelse som TAC och kodar för aminosyran metionin istället för isoleucin. Tripletter av TCH och TCC i DNA från mitokondrier av vissa arter kodar inte för aminosyror, eftersom de är nonsenstripletter. Tillsammans med tripletitet, degeneration, specificitet och universalitet är de viktigaste egenskaperna hos den genetiska koden dess kontinuitet och icke-överlappning av kodon under läsning. Detta innebär att nukleotidsekvensen läses trippel för triplett utan luckor, medan närliggande tripletter inte överlappar varandra, d.v.s. varje enskild nukleotid är en del av endast en triplett för en given läsram (Fig. 3.7). Beviset för att den genetiska koden inte överlappar är ersättningen av endast en aminosyra i peptiden när en nukleotid ersätts i DNA. I fallet med inkludering av en nukleotid i flera överlappande tripletter, skulle dess ersättning innebära ersättning av 2-3 aminosyror i peptidkedjan.

Fig. 7. Kontinuitet och obestridlighet av den genetiska koden vid läsning av ärftlig information.

Nukleotider är nukleotider.

4.2 Egenskaper hos DNA som ärftlighetssubstans och variation

4.2.1 Självreproduktion av ärftligt material. DNA-replikation

En av de viktigaste egenskaperna hos ärftlighetsmaterialet är dess förmåga att kopiera sig själv - replikering. Denna egenskap tillhandahålls av särdragen hos den kemiska organisationen av DNA-molekylen, som består av två komplementära strängar. I replikationsprocessen syntetiseras en komplementär kedja på varje polynukleotidkedja i moder-DNA-molekylen. Som ett resultat bildas två identiska dubbelhelixar från en DNA-dubbelhelix. En sådan metod för att fördubbla molekyler, där varje dottermolekyl innehåller en förälder och en nysyntetiserad kedja, kallas semi-konservativ.

För att replikering ska kunna äga rum måste moder-DNA-strängarna separeras från varandra för att bli mallar på vilka komplementära strängar av dottermolekyler kommer att syntetiseras.

Initieringen av replikation utförs i speciella regioner av DNA, betecknade ori (från det engelska ursprunget - början). De inkluderar en 300 bp sekvens som känns igen av specifika proteiner. Den dubbla helixen av DNA i dessa loci är uppdelad i två strängar, och som regel, på båda sidor av replikationsursprunget, bildas områden med divergens av polynukleotidkedjor - replikationsgafflar som rör sig i motsatta riktningar från ori-lokuset. Mellan replikationsgafflarna bildas en struktur som kallas replikationsögat, där nya polynukleotidkedjor bildas på två strängar av moderns DNA (Fig. 8, A).

Med hjälp av enzymet helikas, som bryter vätebindningar, lindas den dubbla helixen av DNA upp vid replikationsstartpunkterna. De resulterande enkla DNA-strängarna är bundna av speciella destabiliserande proteiner som sträcker ut ryggraden i kedjorna, vilket gör deras kvävehaltiga baser tillgängliga för bindning till komplementära nukleotider som finns i nukleoplasman. På var och en av kedjorna som bildas i regionen av replikationsgaffeln, med deltagande av enzymet DNA-polymeras, utförs syntesen av komplementära kedjor (Fig. 8, B).

Fig. 8. Replikeringsstartområde. replikeringsgaffel

A. Bildning av ett replikationsöga.

B. Region för replikationsgaffeln i DNA-molekylen

Under syntesen rör sig replikationsgafflarna längs moderhelixen i motsatta riktningar och fångar nya zoner.

Separation av spiralformade strängar av föräldra-DNA av enzymet helicase orsakar uppkomsten av superspolar framför replikationsgaffeln. Detta förklaras av det faktum att för varje 10 par nukleotider som bildar ett varv av helixen, måste moder-DNA:et slutföra ett helt varv runt sin axel. Därför, för att flytta fram replikationsgaffeln, skulle hela DNA-molekylen framför den behöva rotera snabbt, vilket skulle kräva en stor energiförbrukning. Detta observeras faktiskt inte på grund av en speciell klass av proteiner som kallas DNA-topoisomeraser. Topoisomeras bryter en av DNA-strängarna, vilket gör att den kan kretsa runt den andra strängen. Detta försvagar den ackumulerade spänningen i DNA-dubbelhelixen (fig. 9).

Fria nukleotider från nukleoplasman är bundna till de frigjorda vätebindningarna i nukleotidsekvenserna i de separerade parentalkedjorna, där de finns i form av deoxiribonukleosid grypfosfater: dATP, dGTP, dCTP, dTTP. Komplementärt nukleosidtrifosfat bildar vätebindningar med en specifik bas av moder-DNA-strängen. Sedan, med deltagande av DNA-polymerasenzymet, binder det genom en fosfodiesterbindning till den tidigare nukleotiden i den nyligen syntetiserade kedjan, samtidigt som det ger oorganiskt pyrofosfat (fig. 10).

När DNA-polymeras adderar nästa nukleotid till OH-gruppen vid 3'-positionen av den föregående nukleotiden, förlängs kedjan gradvis vid dess 3'-ände.

En egenskap hos DNA-polymeras är dess oförmåga att starta syntesen av en ny polynukleotidkedja genom att helt enkelt länka två nukleosidtrifosfater: 3 "-OH-terminalen av en polynukleotidkedja parad med mall-DNA-kedjan krävs, till vilken DNA-polymeras endast kan lägga till nya nukleotider En sådan polynukleotid Leotidkedjan kallas fröet eller primern.

Rollen för en primer för syntesen av DNA-polynukleotidkedjor under replikation utförs av korta RNA-sekvenser bildade med deltagande av RNA-primasenzymet (fig. 11). Denna egenskap hos DNA-polymeras innebär att endast en DNA-kedja som bär en parad primer, som har en fri 3'-OH-ände, kan fungera som en mall för replikering.

Fig. 9. Att bryta en av DNA-kedjorna med hjälp av enzymet DNA topoisomeras: I - DNA-topoisomeras bildar en kovalent bindning med en av fosfatgrupperna i DNA (övre kedjan); II - som ett resultat av bristning av fosfodiesterbindningen i en polynukleotidkedja runt motsvarande bindning av den andra kedjan, sker rotation, vilket lindrar spänningen som orsakas av divergensen av två DNA-kedjor i replikationsgaffelns region; III - efter frigörandet av spänningar i DNA-spiralen sker spontan separation av DNA-topoisomeras och återställande av fosfodiesterbindningen i DNA-kedjan

DNA-polymerasets förmåga att sätta ihop en polynukleotid i riktningen från 5" till 3"-änden när två DNA-strängar är sammanfogade antiparallellt innebär att replikationsprocessen bör fortgå olika på dem. Faktum är att om på en av matriserna (3" → 5") sammansättningen av en ny kedja sker kontinuerligt från 5" till 3" änden och den gradvis förlängs i 3" änden, då syntetiseras den andra kedjan på matrisen (5" → 3"), bör växa från 3" till 5" änden. Detta strider mot verkningsriktningen för DNA-polymerasenzymet.

Fig. 10. Fastsättning av nästa nukleotid till dottersträngen av DNA syntetiserad med deltagande av DNA-polymeras: FF-pyrofosfat

Det har nu konstaterats att syntesen av den andra DNA-strängen utförs av korta fragment (Okazaki-fragment) även i riktningen från 5" till 3" änden (genom typen av sömnad "bakåt med en nål") . I prokaryoter innehåller Okazaki-fragment från 1000 till 2000 nukleotider, i eukaryoter är de mycket kortare (från 100 till 200 nukleotider). Syntesen av varje sådant fragment föregås av bildningen av en RNA-primer som är cirka 10 nukleotider lång. Det nybildade fragmentet kopplas till det tidigare fragmentet med hjälp av DNA-ligasenzymet efter avlägsnande av dess RNA-primer (Fig. 12, A).

På grund av dessa funktioner är replikeringsgaffeln asymmetrisk. Av de två syntetiserade dotterkedjorna byggs en kontinuerligt, dess syntes är snabbare, och denna kedja kallas ledaren. Syntesen av den andra kedjan är långsammare, eftersom den är sammansatt från separata fragment som kräver bildning och sedan avlägsnande av RNA-primern. Därför kallas en sådan kedja lagging (lagging). Även om individuella fragment bildas i riktning 5 "→ 3", växer denna kedja i allmänhet i riktning 3 "→ 5" (Fig. 3.12, A). Med tanke på det faktum att två replikationsgafflar vanligtvis startar från ori-lokuset och går i motsatta riktningar, sker syntesen av ledande strängar i dem på olika strängar av moderns DNA (Fig. 12, B). Slutresultatet av replikationsprocessen är bildandet av två DNA-molekyler vars nukleotidsekvens är identisk med den för moder-DNA-dubbelhelixen.

Fig. 11. Reaktionsschema för syntes av en kort RNA-primer katalyserad av RNA-primas

Den övervägda sekvensen av händelser som inträffar under loppet av replikativ syntes antyder deltagande av ett helt system av enzymer: helikas, topoisomeras, destabiliserande proteiner, DNA-polymeras och andra, som verkar tillsammans i replikationsgaffelns region (fig. 13).

DNA-replikation i pro- och eukaryoter är i grunden liknande, dock är synteshastigheten i eukaryoter (cirka 100 nukleotider/s) en storleksordning lägre än i prokaryoter (1000 nukleotider/s). Anledningen till detta kan vara bildandet av eukaryot DNA med tillräckligt starka bindningar med proteiner, vilket hindrar dess despiralisering, vilket är nödvändigt för replikativ syntes.

Ett DNA-fragment från replikationsstartpunkten till punkten för dess avslutning bildar en replikationsenhet - replikon. När den väl har startat vid ursprungspunkten (på locus), fortsätter replikationen tills hela replikonet har duplicerats. De cirkulära DNA-molekylerna i prokaryota celler har en på lokus och är helt separata replikoner. Eukaryota kromosomer innehåller ett stort antal replikoner. I detta avseende börjar dupliceringen av DNA-molekylen som ligger längs den eukaryota kromosomen på flera punkter. I olika repliker kan fördubbling ske vid olika tidpunkter eller samtidigt.

Ris. 12. Syntes av två dottersträngar av DNA på olika strängar av modermolekylen

A. På grund av antiparallelismen hos DNA-strängar fortskrider syntesen av dottersträngar annorlunda, på den övre föräldersträngen syntetiseras en kontinuerligt ledande sträng, på den nedre föräldersträngen är dottersträngen sammansatt av Okazaki-fragment - en eftersläpande sträng.

B. Syntes av ledande strängar i flerriktade gafflar sker på olika strängar av moderns DNA

4.2.2 Mekanismer för att upprätthålla nukleosid-DNA-sekvensen. Kemisk stabilitet. Replikering. Reparera

För att bibehålla de huvudsakliga egenskaperna hos en cell eller organism under hela deras liv, såväl som i ett antal generationer, måste det ärftliga materialet vara motståndskraftigt mot yttre påverkan eller så måste det finnas mekanismer för att korrigera de förändringar som sker i det. I naturen används båda faktorerna. Den tredje faktorn är noggrannheten i att kopiera nukleotidsekvenserna av moderns DNA under dess replikering.

Fig. 13. Proteiner involverade i processen för DNA-replikation

DNA-helikas lindar upp DNA-dubbelhelixen och separerar dess polynukleotidkedjor; destabiliserande proteiner rätar ut en del av DNA-kedjan; DNA-topoisomeras bryter fosfodiesterbindningen i en av polykarbonat-DNA-strängarna, vilket lindrar spänningen som orsakas av helixavveckling och strängseparation vid replikationsgaffeln; RNA primas syntetiserar RNA-primrar för dottersträngen och för varje Okazaki-fragment; DNA-polymeras utför kontinuerlig syntes av den ledande strängen och syntes av Okazaki-fragment av den eftersläpande strängen; DNA-ligas ligerar Okazaki-fragment efter avlägsnande av RNA-primer

När det gäller reaktivitet klassificeras DNA-molekyler som kemiskt inerta ämnen. Det är känt att ärftlighetssubstansens roll inte bara kan utföras av DNA, utan också av RNA (vissa virus). Man tror att valet till förmån för DNA beror på dess lägre reaktivitet jämfört med RNA.

Replikationsmekanismen som diskuterats ovan kännetecknas av en extremt hög trohet i reproduktionen av DNA-strukturen. Vid duplicering av DNA uppstår fel i genomsnitt med en frekvens av 1·10 -6 komplementära baspar.

För att upprätthålla hög replikationstrohet tillhör en viktig roll i första hand enzymet DNA-polymeras. Detta enzym väljer de nödvändiga nukleotiderna bland nukleosidtrifosfaterna (ATP, TTP, GTP, CTP) som finns i kärnsaften, fäster dem exakt till DNA-mallkedjan och inkluderar dem i den växande dotterkedjan. Frekvensen för inkludering av felaktiga nukleotider i detta skede är 1·10-5 baspar.

Sådana fel i arbetet med DNA-polymeras är förknippade med uppkomsten av förändrade former av kvävehaltiga baser, som bildar "olagliga" par med baserna i moderkedjan. Till exempel är en förändrad form av cytosin istället för guanin vätebunden till adenin. Som ett resultat ingår en felaktig nukleotid i den växande DNA-kedjan. Den snabba övergången av den modifierade formen av en sådan bas till den vanliga stör dess bindning till mallen, en oparad 3 "-OH-ände av den växande DNA-kedjan uppträder. I denna situation aktiveras självkorrigeringsmekanismen, bärs ut av DNA-polymeras (eller ett enzym som är nära besläktat med det - redigerande endonukleas).Självkorrigering består i klyvning av en nukleotid som felaktigt ingår i DNA-kedjan som inte är parad med mallen (Fig. 14).Konsekvensen av själv -korrigering är en minskning av felfrekvensen med 10 gånger (från 10 -5 till 10 -6).

Trots effektiviteten av självkorrigering upptäcks fel under replikering efter DNA-duplicering. Detta observeras särskilt ofta när koncentrationen av fyra nukleosidtrifosfater i det omgivande substratet störs. En betydande del av förändringarna sker även i DNA-molekyler som ett resultat av spontana processer förknippade med förlusten av purinbaser - adenin och guanin (apurinisering) - eller deaminering av cytosin, som förvandlas till uracil. Frekvensen av de senaste förändringarna når 100 per 1 genom/dag.

Baserna i DNA kan förändras under påverkan av reaktiva föreningar som stör deras normala parning, såväl som under inverkan av ultraviolett strålning, vilket kan orsaka bildandet av en kovalent bindning mellan två intilliggande tyminrester i DNA (tymindimerer). Dessa förändringar i nästa replikationscykel bör leda antingen till förlust av baspar i dotterns DNA eller till att vissa par ersätts med andra. Dessa förändringar följer med varje cykel av DNA-replikation, men deras frekvens är mycket mindre än den borde vara. Detta förklaras av det faktum att de flesta förändringar av detta slag elimineras på grund av verkan av reparationsmekanismen (molekylär restaurering) av den ursprungliga DNA-nukleotidsekvensen.

Reparationsmekanismen är baserad på närvaron av två komplementära kedjor i DNA-molekylen. Förvrängningen av nukleotidsekvensen i en av dem detekteras av specifika enzymer. Därefter tas motsvarande ställe bort och ersätts av ett nytt, syntetiserat på den andra komplementära DNA-strängen. Sådan reparation kallas excisional, d.v.s. med "klippning" (bild 15). Det utförs före nästa replikeringscykel, därför kallas det också pre-replikativ.

Fig. 14. Schema för korrigeringsprocessen under DNA-syntes:

I-inklusion i DNA-kedjan av en nukleotid med en modifierad (tautomer) form av cytoein, som "olagligt" paras med adenin; II - den snabba övergången av cytosin till dess normala form stör dess parning med adenin; den oparade 3"-OH-änden av den syntetiserade kedjan förhindrar dess ytterligare förlängning under verkan av DNA-polymeras; III - DNA-polymeras tar bort den illegala nukleotiden, som ett resultat av vilket 3"-OH-änden parad med mallen återkommer; IV - DNA-polymeras fortsätter att förlänga kedjan vid 3'-OH-änden.

Återställande av den ursprungliga DNA-strukturen kräver deltagande av ett antal enzymer. En viktig punkt för att starta reparationsmekanismen är upptäckten av ett fel i DNA-strukturen. Ofta uppstår sådana fel i den nyligen syntetiserade strängen under replikering. Reparationsenzymer måste detektera exakt denna kedja. I många arter av levande organismer skiljer sig den nyligen syntetiserade DNA-strängen från moderns grad av metylering av dess kvävehaltiga baser, vilket släpar efter syntesen. I detta fall genomgår den ometylerade kedjan reparation. Objektet för igenkänning av reparationsenzymer kan också vara brott i DNA-kedjan. I högre organismer, där DNA-syntes inte sker kontinuerligt, utan av enskilda replikoner, har den nysyntetiserade DNA-kedjan brott, vilket gör det möjligt att känna igen den. Återställande av DNA-strukturen i händelse av förlust av purinbaserna i en av dess kedjor involverar detektering av en defekt med hjälp av enzymet endonukleas, som bryter fosfoesterbindningen på platsen för skada på kedjan. Sedan avlägsnas det förändrade stället med flera nukleotider intill det av enzymet exonukleas, och i dess ställe, i enlighet med ordningen för baserna i den komplementära kedjan, bildas den korrekta nukleotidsekvensen (fig. 15).

Fig. 15. Schema för excisionell, pre-replikativ DNA-reparation.

När en av baserna i DNA-kedjan förändras, deltar cirka 20 DNA-glykosylasenzymer i återställandet av den ursprungliga strukturen.De känner specifikt igen skador orsakade av deaminering, alkylering och andra strukturella transformationer av baser. Sådana modifierade baser tas bort. Det finns områden som saknar baser, som repareras, som med förlusten av puriner. Om återställandet av den normala strukturen inte utförs, till exempel vid deaminering av kvävehaltiga baser, ersätts vissa par av komplementära baser med andra - C-G-paret kan ersättas av ett T-A-par, etc. .

Bildandet av tymindimerer (T-T) i polynukleotidkedjor under inverkan av UV-strålar kräver deltagande av enzymer som inte känner igen individuella förändrade baser, utan mer omfattande skador på DNA-strukturen. Den reparativa processen i detta fall är också associerad med avlägsnandet av stället som bär dimeren och återställandet av den normala nukleotidsekvensen genom syntes på den komplementära DNA-strängen.

I det fall då excisionsreparationssystemet inte korrigerar en förändring som har uppstått i en DNA-sträng, fixeras denna förändring under replikationen och den blir egenskapen för båda DNA-strängarna. Detta leder till ersättning av ett par komplementära nukleotider med ett annat eller till uppkomsten av brott (luckor) i den nyligen syntetiserade kedjan mot de förändrade regionerna. Återställande av den normala DNA-strukturen kan också ske efter replikation.

Postreplikativ reparation utförs genom rekombination (utbyte av fragment) mellan två nybildade DNA-dubbelhelixar. Ett exempel på sådan postreplikativ reparation är återställandet av den normala DNA-strukturen när tymindimerer (T-T) uppträder, när de inte elimineras spontant under inverkan av synligt ljus (ljusreparation) eller under pre-replikativ excisionell reparation.

Kovalenta bindningar som uppstår mellan intilliggande tyminrester gör dem oförmögna att binda till komplementära nukleotider. Som ett resultat uppstår avbrott (luckor) som kan kännas igen av reparationsenzymer i den nyligen syntetiserade DNA-strängen. Återställande av integriteten för den nya polynukleotidkedjan i ett av dotter-DNA:erna utförs på grund av rekombination med motsvarande normala moderkedja i det andra dotter-DNA:n. Det gap som bildas i moderkedjan fylls sedan genom syntes på den komplementära polynukleotidkedjan (fig. 16). Det ofta observerade utbytet av material mellan systerkromatider (fig. 17) kan betraktas som en manifestation av sådan postreplikativ reparation, utförd genom rekombination mellan kedjorna av två dotter-DNA-molekyler.

Fig. 16. Diagram över postreplikativ DNA-reparation:

I - förekomst av tymindimer i en av DNA-strängarna;

II - bildandet av ett "gap" i den nyligen syntetiserade strängen mot den förändrade regionen av modermolekylen efter replikering (pilen indikerar den efterföljande fyllningen av "gapet" med en region från motsvarande sträng av den andra dotter-DNA-molekylen) ;

III - återställande av integriteten hos dotterkedjan i den övre molekylen på grund av rekombination och i den nedre molekylen på grund av syntes på den komplementära kedjan

Fig. 17. Interkromatidutbyten (anges med pilar)

Under pre-replikativ och postreplikativ reparation återställs de flesta skadorna på DNA-strukturen. Men om för mycket skada uppstår i cellens ärftliga material och en del av dem inte elimineras, aktiveras systemet med inducerbara (exciterade) reparationsenzymer (SOS-system). Dessa enzymer fyller luckor genom att återställa integriteten hos de syntetiserade polynukleotidkedjorna utan att strikt följa principen om komplementaritet. Det är därför ibland själva reparationsprocesserna kan fungera som en källa till ihållande förändringar i DNA-strukturen (mutationer). Den namngivna reaktionen gäller även för SOS-systemet.

Om i cellen, trots den pågående reparationen, mängden skada på DNA-strukturen förblir hög, blockeras processerna för DNA-replikation i den. En sådan cell delar sig inte, vilket gör att den inte överför de förändringar som uppstått till avkomman.

Avstängningen av cellcykeln orsakad av DNA-skada, i kombination med omöjligheten av molekylär reparation av det förändrade ärftliga materialet, kan, med deltagande av ett protein vars syntes styrs av p53-genen, leda till aktivering av självprocessen -förstörelse (apoptos) av en defekt cell för att eliminera den från kroppen.

Således utför en omfattande uppsättning olika reparationsenzymer en kontinuerlig "undersökning" av DNA, tar bort skadade områden från det och hjälper till att upprätthålla stabiliteten hos det ärftliga materialet. Den kombinerade verkan av replikationsenzymer (DNA-polymeras och editerande endonukleas) och reparationsenzymer säkerställer en ganska låg felfrekvens i DNA-molekyler, som hålls på nivån 1 × 10-9 par av förändrade nukleotider per genom. Med en mänsklig genomstorlek på 3 × 10 9 baspar betyder detta cirka 3 fel per replikerande genom. Samtidigt är även denna nivå tillräcklig för bildandet av betydande genetisk mångfald i form av genmutationer under existensen av liv på jorden.

4.2.3 Förändringar i DNA-nukleotidsekvenser.

Okorrigerade förändringar i geners kemiska struktur, som reproduceras i på varandra följande replikationscykler och manifesteras i avkomma i form av nya varianter av egenskaper, kallas genmutationer.

Förändringar i DNA-strukturen som utgör en gen kan delas in i tre grupper. Mutationer i den första gruppen består i att vissa baser ersätts med andra. De utgör cirka 20 % av spontant uppträdande genförändringar. Den andra gruppen av mutationer orsakas av ett ramskifte som uppstår när antalet nukleotidpar i genen ändras. Slutligen representeras den tredje gruppen av mutationer associerade med en förändring i ordningen av nukleotidsekvenser inom en gen (inversion).

Mutationer enligt typen av ersättning av kvävehaltiga baser. Dessa mutationer uppstår av ett antal specifika anledningar. En av dem kan vara en förändring i strukturen hos en bas som redan ingår i DNA-spiralen, som sker av en slump eller under påverkan av specifika kemiska medel. Om en sådan förändrad form av basen förblir obemärkt av reparationsenzymerna, kan den under nästa replikationscykel fästa en annan nukleotid till sig själv. Ett exempel är deaminering av cytosin, som övergår till uracil spontant eller under påverkan av salpetersyrlighet (Fig. 18). Den resulterande uracilen, som inte märks av enzymet DNA-glykosylas, kombineras under replikation med adenin, som därefter fäster tymidylnukleotiden. Som ett resultat ersätts C-G-paret i DNA med T-A-paret (Fig. 19, I). Deaminering av metylerat cytosin omvandlar det till tymin (se figur 3.18). Tymidylnukleotiden, som är en naturlig komponent i DNA, detekteras inte som en förändring av reparationsenzymer och lägger till en adenylnukleotid under nästa replikering. Som ett resultat, istället för C-G-paret, uppträder T-A-paret också i DNA-molekylen (Fig. 19, II).

Fig. 18. Spontan deaminering av cytosin

Ett annat skäl för substitution av baser kan vara den felaktiga inkluderingen i den syntetiserade DNA-kedjan av en nukleotid som bär en kemiskt modifierad form av basen eller dess analog. Om detta fel förblir obemärkt av replikerings- och reparationsenzymerna, ingår den förändrade basen i replikeringsprocessen, vilket ofta leder till att ett par ersätts med ett annat. Ett exempel på detta är tillägget av en nukleotid med 5-bromoracil (5-BU), liknande tymidylnukleotiden, till adeninet i moderns kedja under replikation. Under efterföljande replikering fäster 5-BU lättare till sig själv inte adenin utan guanin. Guanin bildar under ytterligare fördubbling ett komplementärt par med cytosin. Som ett resultat ersätts A-T-paret i DNA-molekylen av G-C-paret (fig. 20).

Ris. 19. Mutationer efter typ av bassubstitution (deaminering av kvävehaltiga baser i DNA-kedjan):

I - omvandling av cytosin till uracil, ersättning av C-G-paret med ett T-A-par;

II - omvandling av metyl-cytosin till tymin, ersättning av C-G-paret med ett T-A-par

Från exemplen ovan kan det ses att förändringar i strukturen hos DNA-molekylen genom typen av bassubstitution sker antingen före eller under replikation, initialt i en polynukleotidkedja. Om sådana förändringar inte korrigeras under reparation, blir de under efterföljande replikering egenskapen för båda DNA-strängarna.

Ris. 20. Mutationer efter typ av bassubstitution (inklusive en kvävehaltig basanalog i DNA-replikation)

Konsekvensen av att ersätta ett par komplementära nukleotider med ett annat är bildandet av en ny triplett i DNA-nukleotidsekvensen som kodar för aminosyrasekvensen i peptidkedjan. Detta kanske inte påverkar peptidens struktur om den nya tripletten är "synonym" med den tidigare, dvs. kommer att koda för samma aminosyra. Till exempel är aminosyran valin krypterad med fyra tripletter: CAA, CAG, CAT, CAC. Att ersätta den tredje basen i någon av dessa tripletter kommer inte att ändra dess betydelse (den genetiska kodens degeneration).

I fallet när den nyligen uppkomna tripletten kodar för en annan aminosyra förändras peptidkedjans struktur och egenskaperna hos motsvarande protein. Beroende på ersättningens art och plats förändras proteinets specifika egenskaper i varierande grad. Fall är kända när ersättning av endast en aminosyra i en peptid signifikant påverkar proteinets egenskaper, vilket visar sig i en förändring av mer komplexa egenskaper. Ett exempel är förändringen av egenskaperna hos humant hemoglobin vid sicklecellanemi (fig. 21). I sådana hemoglobin- (HbS) (till skillnad från normalt HbA) - i p-globinkedjor i sjätte positionen ersätts glutaminsyra med valin. Detta är en följd av ersättningen av en av baserna i tripletten som kodar för glutaminsyra (CTT eller CTC). Som ett resultat visas en triplettkrypterande valin (CAT eller CAC). I det här fallet ändrar ersättningen av en aminosyra i peptiden signifikant egenskaperna hos globin, som är en del av hemoglobin (dess förmåga att binda till 02 minskar), en person utvecklar tecken på sicklecellanemi.

I vissa fall kan ersättning av en bas med en annan leda till uppkomsten av en av nonsenstripletterna (ATT, ATC, ACT) som inte kodar för någon aminosyra. Konsekvensen av en sådan ersättning kommer att bli avbrott i syntesen av peptidkedjan. Det uppskattas att nukleotidsubstitutioner i en triplett leder i 25 % av fallen till bildandet av synonyma tripletter; i 2-3 - meningslösa tripletter, i 70 - 75% - till förekomsten av sanna genmutationer.

Sålunda kan bassubstitutionsmutationer uppstå både som ett resultat av spontana förändringar i basstrukturen i en av strängarna i en redan existerande DNA-dubbelhelix, och under replikation i en nysyntetiserad sträng. Om dessa förändringar inte korrigeras under reparation (eller, omvänt, inträffar under reparation), fixeras de i båda kedjorna och kommer sedan att reproduceras i nästa replikeringscykler. Därför är en viktig källa till sådana mutationer kränkningar av processerna för replikering och reparation.

Mutationer med en förskjutning i läsramen. Denna typ av mutation utgör en betydande del av spontana mutationer. De uppstår på grund av att ett eller flera par av komplementära nukleotider försvinner eller sätts in i DNA-nukleotidsekvensen. De flesta av de studerade ramförskjutningsmutationerna hittades i sekvenser bestående av identiska nukleotider.

En förändring av antalet nukleotidpar i en DNA-kedja underlättas av effekterna på det genetiska materialet av vissa kemikalier, såsom akridinföreningar. Genom att deformera strukturen hos DNA-dubbelhelixen leder de till införandet av ytterligare baser eller deras förlust under replikering. Ett exempel är de mutationer som erhålls i T4-fagen när de exponeras för proflavin. De består i inkludering eller avlägsnande av bara ett nukleotidpar. En viktig orsak till förändringen av antalet nukleotidpar i en gen beroende på typen av stora delningar (nedfall) kan vara röntgenbestrålning. Hos fruktflugan känner man till exempel en mutation i genen som styr ögats färg, som orsakas av bestrålning och består av en delning av cirka 100 nukleotidpar.

Fig. 21. Pleiotrop effekt av substitution av en enda aminosyra i β-kedjan av humant hemoglobin som leder till utvecklingen av sicklecellanemi

Ett stort antal mutationer av insertionstyp uppstår på grund av inkluderingen av mobila genetiska element, transposoner, i nukleotidsekvensen. Transposoner är ganska långa nukleotidsekvenser inbyggda i genomen av eu och prokaryota celler som spontant kan ändra sin position. Med en viss sannolikhet kan insättningar och divisioner uppstå som ett resultat av rekombinationsfel med ojämn intragen överkorsning (Fig. 22).

Fig. 22. Frameshift-mutationer (ojämnt utbyte med intragen övergång):

I - brott av allelpigener i olika områden och utbyte av fragment mellan dem;

II - förlust av det 3:e och 4:e nukleotidparet, en förskjutning i läsramen;

III - fördubbling av det 3:e och 4:e nukleotidparet, förskjutning av läsramen

Fig.23. Konsekvensen av en förändring av antalet nukleotidpar i en DNA-molekyl

Förskjutningen av läsramen som ett resultat av införandet av en nukleotid i den kodogena kedjan leder till en förändring i sammansättningen av peptiden som är krypterad i den

Med kontinuitet i läsning och icke-överlappning av den genetiska koden leder en förändring av antalet nukleotider som regel till en förskjutning i läsramen och en förändring i betydelsen av biologisk information som registreras i en given DNA-sekvens (Fig. 23). Om antalet nukleotider som sätts in eller förloras är en multipel av tre, kan det hända att ramförskjutning inte inträffar, men detta kommer att resultera i införandet av ytterligare aminosyror eller förlust av några av dem från polypeptidkedjan. En möjlig konsekvens av ramförskjutningen är uppkomsten av nonsensstrimlor, vilket leder till syntesen av förkortade peptidkedjor.

Mutationer enligt typen av inversion av nukleotidsekvenser i genen. Denna typ av mutation uppstår på grund av en 180° vridning av ett DNA-segment. Vanligtvis föregås detta av att DNA-molekylen bildar en slinga, inom vilken replikationen fortsätter i motsatt riktning mot den korrekta.

Inom den inverterade regionen störs läsningen av information, som ett resultat ändras proteinets aminosyrasekvens.

4.2.4 Elementära variabilitetsenheter genetiskt material. Mouton. Recon

En gen är en elementär enhet av ärftligt materials funktion. Detta innebär att ett fragment av en DNA-molekyl som motsvarar en enskild gen och bestämmer, tack vare den biologiska informationen i den, möjligheten att utveckla en viss egenskap, är vidare odelbart i funktionell mening. Informationen om genmutationer som beskrivs ovan indikerar betydelsen av förändringar i den kemiska strukturen som inte påverkar hela genen, utan dess individuella sektioner, som ett resultat av vilka nya varianter av egenskapen uppstår.

Den minsta mängd ärftligt material som vid förändring kan leda till uppkomsten av varianter av en egenskap, motsvarar den elementära enheten i mutationsprocessen och kallas en muton. Exemplen på genmutationer som diskuterats ovan indikerar att det räcker att ersätta ett par komplementära baser i en gen för att ändra egenskaperna hos det protein som den kodar för. Således motsvarar en muton ett par komplementära nukleotider.

En del av genmutationer av typen av insättningar och deletioner av nukleotidpar uppstår på grund av ojämnt utbyte mellan DNA-molekyler under överkorsning, d.v.s. i strid med rekombinationen mellan dem. Detta åtföljs av en förskjutning i läsramen och leder till en störning i syntesen av en peptidkedja med önskade egenskaper. Observationer visar att insättningen eller deletionen av ett par nukleotider är tillräcklig för att förvränga den biologiska information som registreras i genen. Av det som har sagts följer att den elementära rekombinationsenheten, recon, på molekylär nivå motsvarar ett par nukleotider.

Förändringar i nukleotidsekvenser som uppstår spontant eller under påverkan av olika yttre påverkan leder till att samma gen kan existera i flera varianter som skiljer sig åt i den biologiska information som finns i dem. Den specifika formen av existens av en gen, som bestämmer möjligheten att utveckla en specifik variant av en given egenskap, kallas en allel. Allelerna för en gen är belägna i samma region - ett lokus - av en viss kromosom, som normalt samtidigt bara kan innehålla en av en serie alleler. Detta gör alleler till alternativa (ömsesidigt uteslutande) alternativ för existensen av en gen.

Förändringar i den kemiska strukturen kan förekomma i olika regioner av genen. Om de är kompatibla med livet, d.v.s. leder inte till döden av celler eller organismer - bärare av dessa mutationer, alla lagras i artens genpool.

Närvaron i genpoolen av en art samtidigt olika alleler av en gen kallas multipel allelism. Ett exempel på detta är de olika ögonfärgsalternativen hos fruktflugan: vit, körsbär, röd, aprikos, eosin, på grund av olika alleler av motsvarande gen. Hos människor, som i andra representanter för den organiska världen, är multipel allelism karakteristisk för många gener. Så tre alleler av I-genen bestämmer blodgruppen enligt AB0-systemet (IA, I B, I 0). Genen som bestämmer Rh-tillhörigheten har två alleler. Mer än hundra alleler har gener för α- och β-polypeptider av hemoglobin.

Orsaken till multipel allelism är slumpmässiga förändringar i genens struktur (mutationer) som bevaras i processen för naturligt urval i populationens genpool. Mångfalden av alleler som rekombinerar under sexuell reproduktion bestämmer graden av genotypisk mångfald bland representanter för en given art, vilket är av stor evolutionär betydelse, vilket ökar livskraften hos populationer under förändrade förhållanden för deras existens. Förutom evolutionär och ekologisk betydelse har geners alleliska tillstånd ett stort inflytande på det genetiska materialets funktion. I diploida somatiska celler av eukaryota organismer representeras de flesta gener av två alleler som tillsammans påverkar bildandet av egenskaper.

4.2.5 Funktionell klassificering av genmutationer

Förändringar i genens struktur är som regel ogynnsamma, vilket minskar livskraften hos cellen, organismen (skadliga mutationer) och leder ibland till deras död (dödliga mutationer). Sällsynt förekommande mutationer påverkar inte nämnvärt deras bärares livsduglighet, så de anses vara neutrala. Slutligen uppträder alleler som har en gynnsam effekt (gynnsamma mutationer) extremt sällan, vilket ger deras bärare preferentiell överlevnad. I de flesta fall fungerar den nyuppkomna allelen av genen som recessiv i förhållande till den "vild" typ allelen som är vanlig i naturen, d.v.s. visas inte i kombination med det. Men ibland kan den muterade formen av en gen vara dominant, d.v.s. undertrycka manifestationen av den "vilda" allelen, som är vanligare i populationens genpool.

4.2.6 Mekanismer som minskar negativa effekter genmutationer

Som ett resultat av genmutationer förändras betydelsen av biologisk information. Konsekvenserna av detta kan vara tvåfaldiga. I miljöer som förändras lite minskar ny information vanligtvis överlevnaden. Med en kraftig förändring av existensvillkoren, med utvecklingen av en ny ekologisk nisch, är tillgången på olika information användbar. I detta avseende bibehålls intensiteten av mutationsprocessen under naturliga förhållanden på en nivå som inte orsakar en katastrofal minskning av artens livsduglighet. En viktig roll för att begränsa de negativa effekterna av mutationer tillhör anti-mutationsmekanismer som har uppstått i evolutionen.

Några av dessa mekanismer diskuteras ovan. Vi pratar om funktionerna i DNA-polymerasets funktion, som väljer de nödvändiga nukleotiderna i processen för DNA-replikation och utför också självkorrigering under bildandet av en ny DNA-sträng, tillsammans med ett redigerande endonukleas. Olika mekanismer för reparation av DNA-struktur och rollen av degenerationen av den genetiska koden analyseras i detalj. Lösningen på detta problem är den biologiska kodens triplettkaraktär, som tillåter det minsta antalet substitutioner inom tripletten, vilket leder till informationsförvrängning. Således ändrar 64 % av substitutionerna av den tredje nukleotiden i tripletter inte sin semantiska betydelse. Det är sant att 100 % substitutioner av den andra nukleotiden leder till en förvrängning av betydelsen av tripletten.

Parningen av kromosomer i den diploida karyotypen av eukaryota somatiska celler fungerar som en skyddsfaktor mot de negativa konsekvenserna av genmutationer.

Parningen av alleler av gener förhindrar den fenotypiska manifestationen av mutationer om de är recessiva.

Ett visst bidrag till minskningen av de skadliga effekterna av genmutationer görs av fenomenet extrakopiering av gener som kodar för vitala makromolekyler. Den består i närvaron i genotypen av flera tiotals, och ibland hundratals identiska kopior av sådana gener. Ett exempel är generna av rRNA, tRNA, histonproteiner, utan vilka den vitala aktiviteten hos någon cell är omöjlig.

I närvaro av extrakopior leder en mutationsförändring i en eller till och med flera identiska gener inte till katastrofala konsekvenser för cellen. Det räcker med kopior som förblir oförändrade för att säkerställa normal funktion.

Den funktionella olikheten mellan aminosyrasubstitutioner i polypeptiden är också väsentlig. Om de nya och ersatta aminosyrorna är lika i fysikalisk-kemiska egenskaper, är förändringar i den tertiära strukturen och biologiska egenskaperna hos proteinet obetydliga.

Till exempel skiljer sig mutanta humana HbS- och HbC-hemoglobiner från normalt HbA-hemoglobin genom att valin eller lysin ersätts i den 6:e positionen av p-kedjan av glutaminsyra. Den första ersättningen förändrar dramatiskt hemoglobinets egenskaper och leder till utvecklingen av en allvarlig sjukdom - sicklecellanemi.

Med den andra ersättningen förändras hemoglobinets egenskaper i mycket mindre utsträckning.

Anledningen till dessa skillnader är att glutaminsyra och lysin uppvisar liknande hydrofila egenskaper, medan valin är en hydrofob aminosyra.

Således bidrar dessa mekanismer till bevarandet av gener som valts ut under evolutionen och samtidigt ackumuleringen av deras olika alleler i en populations genpool, vilket bildar en reserv av ärftlig variation. Det senare bestämmer befolkningens höga evolutionära plasticitet, d.v.s. förmågan att överleva under en mängd olika förhållanden.

4.3 Användning av genetisk information i livsprocesser

4.3.1 RNA:s roll i förverkligandet av ärftlig information

Ärftlig information, skriven med hjälp av den genetiska koden, lagras i DNA-molekyler och förökar sig för att förse nybildade celler med nödvändiga "instruktioner" för deras normala utveckling och funktion. Samtidigt deltar inte DNA direkt i cellernas livsuppehållande. Rollen som en mellanhand, vars funktion är att översätta den ärftliga information som lagras i DNA till en fungerande form, spelas av ribonukleinsyror - RNA.

Till skillnad från DNA-molekyler representeras ribonukleinsyror av en polynukleotidkedja, som består av fyra typer av nukleotider som innehåller socker, ribos, fosfat och en av de fyra kvävehaltiga baserna - adenin, guanin, uracil eller cytosin. RNA syntetiseras på DNA-molekyler med användning av RNA-polymerasenzymer i enlighet med principen om komplementaritet och antiparallelism, och uracil är komplementär till DNA-adenin i RNA. Hela variationen av RNA som verkar i cellen kan delas in i tre huvudtyper: mRNA, tRNA, rRNA.

Matris, eller information, RNA (mRNA eller mRNA). Transkription. För att syntetisera proteiner med önskade egenskaper kommer en "instruktion" om i vilken ordning aminosyror ingår i peptidkedjan till platsen för deras konstruktion. Denna instruktion finns i nukleotidsekvensen av matris, eller informations-RNA (mRNA, mRNA) syntetiserat vid motsvarande sektioner av DNA. Processen för mRNA-syntes kallas transkription.

Syntesen av mRNA börjar med upptäckten av RNA-polymeras av en speciell plats i DNA-molekylen, vilket indikerar platsen för starten av transkriptionen - promotorn. Efter att ha fästs vid promotorn lindar RNA-polymeras upp den intilliggande varven av DNA-spiralen. Två DNA-strängar divergerar vid denna punkt, och på en av dem syntetiserar enzymet mRNA. Sammansättningen av ribonukleotider till en kedja sker i enlighet med deras komplementaritet med DNA-nukleotider, och även antiparallellt med mall-DNA-kedjan. På grund av det faktum att RNA-polymeras kan sätta ihop en polynukleotid endast från 5'-änden till 3'-änden, kan endast en av de två DNA-strängarna fungera som mall för transkription, nämligen den som är vänd mot enzymet med dess 3 ' ände ( 3 "→ 5"). En sådan kedja kallas kodogen (Fig. 3.24). Antiparallelismen i kopplingen av två polynukleotidkedjor i en DNA-molekyl tillåter RNA-polymeras att korrekt välja en mall för mRNA-syntes.

När det rör sig längs den kodogena DNA-kedjan, utför RNA-polymeras en gradvis, exakt omskrivning av information tills den möter en specifik nukleotidsekvens - en transkriptionsterminator. I denna region separeras RNA-polymeras både från DNA-mallen och från det nyligen syntetiserade mRNA:t (Fig. 25). Ett fragment av en DNA-molekyl, inklusive en promotor, en transkriberad sekvens och en terminator, bildar en transkriptionsenhet - en transkripton.

Under syntesen, när RNA-polymeraset rör sig längs DNA-molekylen, kombineras de enkelsträngade sektionerna av DNA som den har passerat genom igen till en dubbelhelix. Det mRNA som bildas under transkriptionen innehåller en exakt kopia av informationen som registrerats i motsvarande sektion av DNA. Tre intilliggande mRNA-nukleotider som kodar för aminosyror kallas kodon. mRNA-kodonsekvensen kodar för sekvensen av aminosyror i peptidkedjan. mRNA-kodonen motsvarar vissa aminosyror (tabell 1).

Tabell 1. Genetisk kod för mRNA (terminatorkodon är understrukna). Andra nukleotiden

På		C		MEN		G

Fig.24. mRNA-syntesschema

Mallen för mRNA-transkription är den kodogena DNA-strängen som är vänd mot enzymet med dess 3-terminal

Ris. 25. Rollen av RNA-polymeras i transkription:

I - detektion av promotorregionen i DNA-molekylen och avveckling av DNA-spiralen; II - initiering av syntesen av RNA-kedjan genom att binda de två första ribonukleosid-grypfosfaterna; III - förlängning av RNA-kedjan i riktning 5 "→ 3" genom att fästa ribonukleosid gryphosfater; IV - frisättning av 5"-änden av det syntetiserade RNA:t och återställande av DNA-dubbelhelixen; V - fullbordande av RNA-syntes i terminatorområdet, separation av polymeraset från den färdiga RNA-kedjan

Överför RNA (tRNA). Utsända. Transfer-RNA (tRNA) spelar en viktig roll i processen att använda ärftlig information av cellen. Genom att leverera de nödvändiga aminosyrorna till sammansättningsstället för peptidkedjor, fungerar tRNA som en translationell mediator.

tRNA-molekyler är polynukleotidkedjor syntetiserade på specifika DNA-sekvenser. De består av ett relativt litet antal nukleotider - 75-95. Som ett resultat av den komplementära kopplingen av baser som är belägna i olika delar av tRNA-polynukleotidkedjan, får den en struktur som liknar ett klöverblad till formen (Fig. 26).

Fig. 26. Strukturen hos en typisk tRNA-molekyl

Den har fyra huvuddelar som utför olika funktioner. Acceptor-"skaftet" bildas av två komplementärt sammankopplade terminala delar av tRNA. Det är sju baspar. Mitten av dessa grenar - antikodonet - består av fem par nukleotider och innehåller ett antikodon i mitten av dess loop. Antikodonet är tre nukleotider som är komplementära till mRNA-kodonet, som kodar för aminosyran som transporteras av detta tRNA till stället för peptidsyntes.

Mellan acceptor- och antikodongrenarna finns två sidogrenar. I sina loopar innehåller de modifierade baser - dihydrouridin (D-loop) och TψC-tripletten, där y är pseudouriain (T^C-loop). Mellan aitikodon- och T^C-grenarna finns en extra loop, som inkluderar från 3-5 till 13-21 nukleotider.

I allmänhet kännetecknas olika typer av tRNA av en viss beständighet i nukleotidsekvensen, som oftast består av 76 nukleotider. Variationen i deras antal beror huvudsakligen på förändringen i antalet nukleotider i den extra slingan. Komplementära regioner som stöder tRNA-strukturen är vanligtvis konserverade. Den primära strukturen av tRNA, bestäms av sekvensen av nukleotider, bildar den sekundära strukturen av tRNA, som har formen av ett klöverblad. Den sekundära strukturen bestämmer i sin tur den tredimensionella tertiära strukturen, som kännetecknas av bildandet av två vinkelräta dubbla helixar (fig. 27). En av dem bildas av acceptor- och TψC-grenarna, den andra av antikodon- och D-grenarna.

I slutet av en av de dubbla helixarna finns den transporterade aminosyran, i slutet av den andra finns antikodonet. Dessa områden ligger längst bort från varandra. Stabiliteten hos den tertiära tRNA-strukturen bibehålls på grund av uppkomsten av ytterligare vätebindningar mellan baserna i polynukleotidkedjan som är belägna i olika delar av den, men rumsligt nära i den tertiära strukturen.

Olika typer av tRNA har en liknande tertiär struktur, men med vissa variationer.

Fig. 27. Rumslig organisation av tRNA:

I - den sekundära strukturen av tRNA i form av ett "klöverblad", bestämt av dess primära struktur (sekvensen av nukleotider i kedjan);

II - tvådimensionell projektion av den tertiära strukturen av tRNA;

III - layout av tRNA-molekylen i rymden

En av egenskaperna hos tRNA är närvaron i det av ovanliga baser som uppstår som ett resultat av kemisk modifiering efter införandet av en normal bas i polynukleotidkedjan. Dessa förändrade baser bestämmer den stora strukturella mångfalden av tRNA i den allmänna planen för deras struktur. Av störst intresse är modifieringar av baserna som bildar antikodonet, vilka påverkar specificiteten för dess interaktion med kodonet. Till exempel kan den atypiska basen inosin, ibland i 1:a positionen av tRNA-antikodonet, kombineras komplementärt med tre olika tredje baser av mRNA-kodonet - U, C och A (Fig. 3.28). Eftersom en av egenskaperna hos den genetiska koden är dess degeneration (se avsnitt 3.4.1.2), kodas många aminosyror av flera kodon, som i regel skiljer sig åt i sin tredje bas. På grund av den ospecifika bindningen av den modifierade antikodonbasen känner ett tRNA igen flera synonyma kodon.

Fig. 28. Vätebindning av inosin till tre olika kvävehaltiga baser Vätebindningar indikeras med prickar

Förekomsten av flera typer av tRNA som kan binda till samma kodon har också fastställts. Som ett resultat finns inte 61 (av antalet kodon), utan cirka 40 olika tRNA-molekyler i cellernas cytoplasma. Denna mängd är tillräcklig för att transportera 20 olika aminosyror till proteinsammansättningsstället.

Tillsammans med funktionen av exakt igenkänning av ett visst kodon i mRNA, levererar tRNA-molekylen en strikt definierad aminosyra krypterad med detta kodon till platsen för syntesen av peptidkedjan. Den specifika kopplingen mellan tRNA och "dess" aminosyra fortskrider i två steg och leder till bildandet av en förening som kallas aminoacyl-tRNA (Fig. 29).

Fig. 29. Bindning av en aminosyra till motsvarande tRNA:

I - 1: a steget, interaktionen av aminosyror och ATP med frisättningen av pyrofosfat;

II - 2:a steget, fästning av den adiperade aminosyran till 3"-änden av RNA:t

I det första steget aktiveras aminosyran genom att interagera med sin karboxylgrupp med ATP. Som ett resultat bildas en adipylerad aminosyra.

I det andra steget interagerar denna förening med OH-gruppen belägen vid 3 "änden av motsvarande tRNA, och aminosyran fäster sin karboxylgrupp till den och frisätter AMP. Således fortsätter denna process med energiförbrukningen som erhålls under hydrolys av ATP till AMP.

Specificiteten för kombinationen av en aminosyra och ett tRNA som bär motsvarande antikodon uppnås på grund av egenskaperna hos enzymet aminoacyl-tRNA-syntetas. I cytoplasman finns en hel uppsättning sådana enzymer som är kapabla till rumslig igenkänning, å ena sidan, av sin aminosyra, och å andra sidan, av motsvarande tRNA-antikodon (Fig. 3.30). Ärftlig information, "inspelad" i DNA-molekyler och "omskriven" i mRNA, dechiffreras under translation på grund av två processer för specifik igenkänning av molekylära ytor. För det första säkerställer enzymet aminoacyl-tRNA-syntetas kopplingen mellan tRNA och aminosyran den transporterar. Aminoacyl-tRNA:t parar sig sedan komplementärt med mRNA:t genom antikodon-kodoninteraktion. Med hjälp av tRNA-systemet, språket i mRNA-nukleotidkedjan. översatt till språket för aminosyrasekvensen för peptiden (fig. 30).

Ribosomalt RNA (rRNA). Ribosomal cykel av proteinsyntes. Processen för interaktion mellan mRNA och tRNA, som säkerställer översättningen av information från nukleotidernas språk till aminosyrornas språk, utförs på ribosomer. De senare är komplexa komplex av rRNA och olika proteiner, i vilka de förra bildar en ställning. Ribosomala RNA är inte bara en strukturell komponent i ribosomer, utan säkerställer också deras bindning till en specifik mRNA-nukleotidsekvens. Detta sätter start- och läsramen för bildandet av peptidkedjan. Dessutom ger de interaktion mellan ribosomen och tRNA. Många proteiner som utgör ribosomer, tillsammans med rRNA, utför både strukturella och enzymatiska roller.

Fig.30. Schema för translation av den genetiska koden: I - bindning av en aminosyra (tryptofan) till motsvarande tRNA med användning av enzymet aminoacyl-tRNA-syntetas; II - bindning av tRNA som bär sin aminosyra till mRNA på grund av bindningen av dess antikodon till mRNA-kodonet

Ribosomerna hos pro- och eukaryoter är mycket lika i struktur och funktion. De består av två underpartiklar: stora och små. I eukaryoter bildas den lilla subenheten av en rRNA-molekyl och 33 olika proteinmolekyler. Den stora subenheten kombinerar tre rRNA-molekyler och cirka 40 proteiner. Prokaryota ribosomer och mitokondriella och plastida ribosomer innehåller färre komponenter.

Ribosomer har två spår. En av dem håller den växande polypeptidkedjan, den andra - mRNA. Dessutom är två tRNA-bindande ställen isolerade i ribosomer. Aminoacyl-tRNA är beläget i aminoacyl, A-stället, som bär en specifik aminosyra. I peptidyl, P-sektionen, finns vanligtvis tRNA, som är laddat med en kedja av aminosyror sammankopplade med peptidbindningar. Bildandet av A- och P-ställen tillhandahålls av båda underenheterna av ribosomen.

Vid varje ögonblick avskärmar ribosomen ett segment av mRNA med en längd på cirka 30 nukleotider. Detta säkerställer interaktionen av endast två tRNA med två intilliggande mRNA-kodon (fig. 31).

Översättningen av information till aminosyrornas "språk" uttrycks i den gradvisa uppbyggnaden av peptidkedjan i enlighet med instruktionerna i mRNA. Denna process äger rum på ribosomer, som tillhandahåller sekvensen för att dechiffrera information med hjälp av tRNA. Tre faser kan särskiljas under translation: initiering, förlängning och avslutning av peptidkedjesyntes.

Fig. 31. Bindningsställen för tRNA-molekyler och ribosom:

I - obelastad ribosom, II - laddad ribosom; ak - aminosyra

Initieringsfasen, eller början av peptidsyntes, består i att kombinera två ribosomsubpartiklar som tidigare separerades i cytoplasman vid ett visst mRNA-ställe och fästa det första aminoacyl-tRNA:t till det. Detta ställer också in ramen för att läsa information som finns i mRNA (Fig. 32).

I molekylen av vilket mRNA som helst, nära dess 5 "-ände, finns ett ställe som är komplementärt till rRNA för den lilla subenheten av ribosomen och som känns igen specifikt av den. Bredvid den finns det initierande startkodonet AUT, som kodar för aminosyra metionin. Ribosomens lilla subenhet ansluter till mRNA på ett sådant sätt att startkodonet AUT ligger i den region som motsvarar P-stället. Samtidigt är det bara det initierande tRNA som bär metionin som kan ta en plats i den oavslutade P-sektionen av den lilla subenheten och komplementär koppling till startkodonet. Efter den beskrivna händelsen kombineras de stora och små subenheterna av ribosomen för att bilda dess peptidyl- och aminoacylplottar (Fig. 3.32).

Fig. 32. Initiering av proteinsyntes:

I - anslutning av en liten subchapshchy av ribosomen med mRNA, anslutning till startkodonet av tRNA som bär metionin, som är beläget i det ofullbordade P-stället; II - anslutning av stora och små subpartiklar av ribosomen med bildandet av P- och A-ställen; nästa steg är associerat med placeringen i A-stället av aminoacyl-tRNA som motsvarar mRNA-kodonet som finns i det, början av förlängning; ak - aminosyra

I slutet av initieringsfasen är P-stället upptaget av aminoacyl-tRNA associerat med metionin, medan ribosomens A-ställe är beläget bredvid startkodonet.

De beskrivna processerna för translationsinitiering katalyseras av speciella proteiner - initieringsfaktorer, som är rörligt associerade med en liten subenhet av ribosomen. Efter fullbordandet av initieringsfasen och bildandet av det ribosom-mRNA-initierande aminoacyl-tRNA-komplexet separeras dessa faktorer från ribosomen.

Förlängningsfasen, eller peptidförlängningen, inkluderar alla reaktioner från bildandet av den första peptidbindningen till vidhäftningen av den sista aminosyran. Det är en cykliskt återkommande händelse där det finns en specifik igenkänning av nästa kodon aminoacyl-tRNA som finns i A-stället, en komplementär interaktion mellan antikodonet och kodonet.

På grund av särdragen hos den tredimensionella organisationen av tRNA när dess antikodon är kopplat till mRNA-kodonet. aminosyran som transporteras av den är belägen i A-stället, i närheten av den tidigare inkluderade aminosyran belägen i P-stället. En peptidbindning bildas mellan två aminosyror, katalyserad av speciella proteiner som utgör ribosomen. Som ett resultat förlorar den tidigare aminosyran sin förbindelse med sitt tRNA och förenar sig med aminoacyl-tRNA:t i A-stället. Det tRNA som finns i detta ögonblick i P-stället frisätts och går in i cytoplasman (fig. 33). Förflyttningen av tRNA laddad med en peptidkedja från A-stället till P-stället åtföljs av ribosomens framsteg längs mRNA:t med ett steg som motsvarar ett kodon. Nu kommer nästa kodon i kontakt med A-stället, där det specifikt kommer att "igenkännas" av motsvarande aminoacyl-tRNA, som kommer att placera sin aminosyra där. Denna sekvens av händelser upprepas tills ribosomens A-ställe får ett termineringskodon för vilket inget motsvarande tRNA existerar.

Fig.33. Förlängningsfasen i proteinsyntes:

1:a steget - aminoacyl-tRNA förenar kodonet i A-stället;

2:a steget - mellan aminosyrorna belägna i A- och P-ställena bildas en peptidbindning: tRNA:t i P-stället frigörs från sin aminosyra och lämnar ribosomen;

3:e steget - ribosomen rör sig längs mRNA:t med ett kodon så att tRNA:t laddat med peptidkedjan rör sig från A-stället till P-stället; fritt A-ställe kan ockuperas av motsvarande aminoacyl-tRNA

Fig. 34. Avbrytande av peptidkedjesyntes:

1:a steget - fästning av frisättningsfaktorn till stoppkodonet;

2:a steget - uppsägning, frisättning av den färdiga peptiden;

3:e steget - dissociation av ribosomen i två subpartiklar

Sammansättningen av peptidkedjan utförs med en tillräckligt hög hastighet, beroende på temperaturen. I bakterier vid 37 °C uttrycks det som tillsats av 12 till 17 aminosyror per 1 s till subdipeptiden. I eukaryota celler är denna hastighet lägre och uttrycks som tillsats av två aminosyror på 1 s.

Avslutningsfasen, eller fullbordandet av polypeptidsyntes, är associerad med igenkännandet av ett specifikt ribosomalt protein av ett av termineringskodonen (UAA, UAG eller UGA) när det går in i ribosomens A-platszon. I detta fall tillsätts vatten till den sista aminosyran i peptidkedjan, och dess karboxylände separeras från tRNA:t. Som ett resultat förlorar den färdiga peptidkedjan sin förbindelse med ribosomen, som delas i två subpartiklar (Fig. 34).

4.3.2 Drag av organisation och uttryck genetisk information hos pro- och eukaryoter

Enligt den kemiska organisationen av materialet av ärftlighet och variabilitet skiljer sig eukaryota och prokaryota celler inte i grunden från varandra. Deras genetiska material representeras av DNA. Gemensamt för dem är principen att registrera genetisk information, samt den genetiska koden. Samma aminosyror är krypterade i pro- och eukaryoter med samma kodon. Användningen av ärftlig information lagrad i DNA sker i princip på samma sätt i dessa typer av celler. Först transkriberas den till nukleotidsekvensen för mRNA-molekylen och translateras sedan till aminosyrasekvensen för peptiden på ribosomer med deltagande av tRNA. Vissa funktioner i organisationen av ärftligt material, som skiljer eukaryota celler från prokaryota, orsakar dock skillnader i användningen av deras genetiska information.

Det ärftliga materialet i en prokaryot cell finns huvudsakligen i en enda cirkulär DNA-molekyl. Den är belägen direkt i cellens cytoplasma, där det också finns tRNA och enzymer som är nödvändiga för genuttryck, av vilka några finns i ribosomer. Prokaryota gener består helt och hållet av kodande nukleotidsekvenser som realiseras under syntesen av proteiner, tRNA eller rRNA.

Det ärftliga materialet hos eukaryoter är större i volym än hos prokaryoter. Den ligger huvudsakligen i speciella kärnstrukturer - kromosomer, som är separerade från cytoplasman av kärnhöljet. Apparaten som är nödvändig för proteinsyntes, bestående av ribosomer, tRNA, en uppsättning aminosyror och enzymer, finns i cellens cytoplasma.

Det finns betydande skillnader i den molekylära organisationen av gener i eukaryota celler. I de flesta av dem är exonkodande sekvenser avbrutna av intronregioner som inte används i syntesen av tRNA, rRNA eller peptider. Antalet sådana regioner varierar i olika gener. Det har fastställts att kyckling-ovalbumingenen inkluderar 7 introner och däggdjursprokollagengenen - 50. Dessa regioner avlägsnas från det primära transkriberade RNA:t, och därför sker användningen av genetisk information i en eukaryot cell något annorlunda. I en prokaryotisk cell, där det ärftliga materialet och apparaten för proteinbiosyntes inte är rumsligt separerade, sker transkription och translation nästan samtidigt. I en eukaryot cell är dessa två stadier inte bara rumsligt åtskilda av kärnhöljet, utan de separeras också i tid av processerna för mRNA-mognad, från vilka oinformativa sekvenser måste avlägsnas (fig. 35).

Ris. 35. Generaliserat schema för processen för uttryck av genetisk information i en eukaryot cell

Utöver dessa skillnader i varje skede av uttrycket av genetisk information, kan vissa drag av förloppet av dessa processer i pro- och eukaryoter noteras.

Transkription i pro- och eukaryoter. Transkription är syntesen av RNA på en DNA-mall. I prokaryoter katalyseras syntesen av alla tre typerna av RNA av ett komplext proteinkomplex - RNA-polymeras.

Transkriptionsapparaten för eukaryota celler inkluderar tre nukleära RNA-polymeraser, såväl som mitokondriella och plastid-RNA-polymeraser. RNA-polymeras I finns i cellernas nukleoler och är ansvarigt för transkriptionen av rRNA-gener. RNA-polymeras II är lokaliserat i kärnsaften och ansvarar för syntesen av mRNA-prekursorn. RNA-polymeras III är en liten fraktion som finns i kärnsaven och är involverad i syntesen av små rRNA och tRNA. Var och en av dessa enzymer har två stora subenheter och upp till 10 små. RNA-polymeraserna i mitokondrier och plastider skiljer sig från nukleära.

Enzymkomplexet av RNA-polymeras känner specifikt igen en viss nukleotidsekvens (ofta mer än en) belägen på ett visst avstånd från startpunkten för transkriptionen - promotorn. Utgångspunkten är den DNA-nukleotid som motsvarar den första nukleotiden som ingår i enzymet i RNA-transkriptet.

Hos prokaryoter, vanligtvis inte långt från startpunkten mot transkriptionsförloppet, finns en sekvens av sex nukleotider - TATAAT, kallat Pribnow-blocket. Detta är en medelsekvens som består av de vanligaste baserna, varav den mest konservativa är den 1:a, 2:a och 6:e basen. Närvaron i denna sekvens av baser, huvudsakligen förbundna med dubbla vätebindningar med komplementära baser av en annan sträng, underlättar uppenbarligen den lokala smältningen av DNA-dubbelhelixen och bildandet av dess två enkelsträngade regioner vid kontakt med RNA-polymeras. Pribnov-blocket ligger i positionen från - 11 till - 5 eller från - 14 till - 8, d.v.s. några nukleotider före startpunkten för transkriptionen (Fig. 36). Vid detektering av denna sekvens binder RNA-polymeras starkt till den och startar RNA-syntes. En lika viktig roll för att etablera kontakt mellan RNA-polymeras och DNA tillhör en annan nukleotidsekvens, vars centrum är i position - 35. Det kallas igenkänningsregionen - TTGACA. Mellan de två angivna områdena är avståndet ganska konstant och sträcker sig från 16 till 19 baspar (bp).

Eukaryota genpromotorer inkluderar också åtminstone två specifika nukleotidsekvenser centrerade vid -25 bp och -75 bp.

På ett avstånd av 19-27 nukleotider från utgångspunkten mot transkriptionsförloppet i många eukaryota gener hittades den genomsnittliga statistiska sekvensen TAT A T A A T (TATA-block, eller Hogness-block), där, som i Pribnow-blocket i prokaryoter, baser dominerar och bildar svagare bindningar. Den andra sekvensen, som finns i många eukaryota promotorer och består av GGCT CAATCT, kallas CAAT-blocket. Den upptar en position mellan -70 och -80 nukleotider och är också en region som känns igen av polymeraset. I vissa gener har flerkomponentspromotorer hittats.

I individuella gener av herpesviruset krävs således tre DNA-sekvenser för effektiv transkriptionsinitiering, belägna mellan -19 och -27, mellan -47 och -61, och även mellan -80 och -105 nukleotider.

Fig. 36. Kontaktpunkter för RNA-polymeras i den övre strängen av DNA (promotor)

Funktioner hos promotorregionerna indikerar att inte bara kombinationen av baser i vissa regioner av promotorn är viktig för transkriptionsinitiering, utan också den relativa positionen i DNA-molekylen i dessa regioner, till vilken RNA-polymerasenzymkomplexet binder.

Efter att ha etablerat kontakt mellan RNA-polymeraset och promotorstället börjar sammansättningen av RNA-molekylen, som oftast inkluderar den första nukleotiden som bär en purinbas (vanligtvis adenin) och innehåller tre 5'-fosfatrester.

Vidare, när RNA-polymeraset rör sig längs DNA-molekylen, sker en gradvis förlängning av RNA-kedjan, som fortsätter tills enzymet möter terminatorområdet. Terminatorn är platsen där den fortsatta tillväxten av RNA-kedjan stannar och den frigörs från DNA-mallen. RNA-polymeraset separeras också från DNA:t, vilket återuppbygger dess dubbelsträngade struktur.

Fig. 37. En region av DNA med dubbel symmetri - ett palindrom:

I - palindrom, där det finns en sekvens som är densamma när man läser i motsatta riktningar;

II - ett palindrom där den skuggade inverterade upprepningen är på avstånd från symmetriaxeln

I prokaryota celler innehåller terminatorer nödvändigtvis palindromer - dubbelsträngade sekvenser av DNA-nukleotider som läser lika i båda riktningarna (Fig. 37). En RNA-region som transkriberats från en sådan sekvens kan bilda dubbelsträngade hårnålar på grund av den komplementära parningen av palindromnukleotider. Kanske är detta signalen för fullbordandet av transkriptionen, igenkänd av RNA-polymeras (Fig. 3.38). De resulterande hårnålarna stoppar tydligen polymeraset vid terminatorn. Efter hårnålen innehåller RNA-molekylen en sekvens av nukleotider som innehåller uracil (polyU), som troligen deltar i frisättningen av RNA från DNA-mallen. Faktum är att en polyU RNA-sekvens kopplad till en polyadenyl (polyA) DNA-sekvens kännetecknas av en svag interaktion. Det är anmärkningsvärt att DNA-regionen som är rik på A-T-par finns inte bara på platsen för transkriptionsinitiering (Pribnov-block), utan också i terminatorregionen.

Bakterieterminatorer varierar avsevärt i sin effektivitet. Vissa av dem märks så att säga inte av RNA-polymeras, och det fortsätter transkriptionen utanför terminatorn. Sådan läsning av terminatorn under transkription av bakteriella gener observeras som ett resultat av förhindrandet av terminering av specifika proteiner - anti-termineringsfaktorer. Konsekvensen av antiterminering är syntesen av polycistroniskt mRNA, vilket inkluderar information avskriven från flera successivt lokaliserade strukturella gener.

Terminatorer av eukaryota gener har studerats i mindre utsträckning än i proskaryoter, men de innehåller också regioner rika på G-C-par sammankopplade med trippelvätebindningar, där en plats med A-T-par finns. På denna plats inkluderar transkriptet en polyU-sekvens som svagt interagerar med mallpolyA-regionen i DNA.

Det är möjligt att terminatorregionen, rik på G-C-par, spelar en viss roll för att stoppa RNA-polymeras, och RNA-regionen som innehåller UUUU säkerställer separationen av transkriptet från DNA-mallen.

I eukaryoter hittades inte bildningen av strukturer som liknar hårnålar i prokaryota RNA. Därför är det fortfarande oklart hur transkriptionsavslutning sker i dem.

Alla mRNA innehåller kodande regioner som representerar en uppsättning kodoner som kodar för aminosyrasekvensen i peptiden. Som regel börjar dessa regioner med startkodonet AUG, men ibland används GUT-kodonet i bakterier. I slutet av den kodande sekvensen finns ett termineringskodon. Förutom de kodande regionerna i mRNA kan ytterligare sekvenser lokaliseras i båda ändarna. Vid 5-tumsänden är detta ledarregionen, som ligger före startkodonet. Vid 3-tumsänden finns en trailer som följer efter terminatorkodonet.

Fig. 38. Hårnålsbildning av en RNA-region under transkriptionsterminering i prokaryoter

RNA-regionen som bär palindromen bildar en komplementär parningsstruktur - en hårnål (omvända upprepningar är skuggade)

I det polycistroniska mRNA från prokaryoter finns intercistroniska regioner mellan de kodande regionerna, som varierar i storlek (Fig. 3.39).

Fig. 39. Polycistroniskt budbärar-RNA av prokaryoter:

1 - icke-kodande regioner, 2 - intercistroniska regioner, 3 - kodande regioner, 4 - termineringskodon

På grund av det faktum att prokaryota gener består helt av nukleotidsekvenser som är involverade i kodande information, kan RNA som transkriberas från dem omedelbart efter deras syntes fungera som mallar för translation. Endast i undantagsfall krävs deras preliminära mognad - bearbetning.

Till skillnad från prokaryota gener är de flesta generna i eukaryota celler diskontinuerliga, eftersom de i sin sammansättning bär icke-informativa nukleotidsekvenser - introner som inte är involverade i kodningsinformation. I detta avseende är de primära transkripten som syntetiseras av RNA-polymeras II större än nödvändigt för translation och är mindre stabila. Tillsammans bildar de det så kallade heterogena kärn-RNA:t (tRNA), som innan det lämnar kärnan och börjar fungera aktivt i cytoplasman, genomgår bearbetning och förvandlas till moget mRNA.

eukaryot mRNA-bearbetning. Mognaden, eller bearbetningen, av mRNA involverar modifiering av det primära transkriptet och avlägsnande av icke-kodande intronregioner från det, följt av sammanfogning (skarvning) av kodande sekvenser - exoner. Modifiering av det primära transkriptet av eukaryotiskt mRNA börjar kort efter syntesen av dess 5"-ände innehållande en av purinbaserna (adenin eller guanin). Ett lock bildas i denna ände, som blockerar 5"-änden av mRNA:t genom att fästa till den första nukleotiden av trifosfonukleosidans transkript innehållande guanin, bindning 5 "-5".

Gfff + fffAfN… → GfffAfN. + ff + f Som ett resultat bildas GfffAfFM...-sekvensen, i vilken tuaninresten är i omvänd orientering med avseende på andra mRNA-nukleotider. Modifiering av 5"-änden av mRNA involverar också metylering av det vidhäftade guaninet och de första två eller tre baserna av det primära transkriptet (Fig. 3.40). Caps bildade vid 5"-ändarna av mRNA säkerställer igenkänning av mRNA-molekyler av små subpartiklar av ribosomer i cytoplasman. Cachning utförs även innan syntesen av det primära transkriptet är slut.

Ris. 40. Bildning av moget eukaryot mRNA under bearbetning:

1 - icke-kodande sekvenser, 2 - exoner, 3 - introner, 4 - terminatorkodon

Efter att transkriptionen är avslutad avlägsnas en del av nukleotiderna vid 3 "änden av det primära transkriptet och en sekvens bestående av 100-200 adenylsyra (polyA)-rester (Fig. 3.40) fästs till den. Man tror att denna sekvens bidrar till vidare bearbetning och transport av moget mRNA från kärnan Efter frisättningen av mRNA till cytoplasman förkortas dess polyA-sekvens gradvis under verkan av enzymer som klyver nukleotider i 3'-änden. Således kan längden på polyA-sekvensen indirekt bedöma uppehållstiden för mRNA i cytoplasman. Möjligen ökar tillägget av polyA-sekvensen under bearbetning mRNA-stabilitet. Emellertid innehåller ungefär en tredjedel av mRNA inte ett polyA-ställe alls. Dessa inkluderar till exempel histon-mRNA.

Bildandet av ett lock vid 5'-änden och en polyA-sekvens vid 3'-änden är karakteristiskt endast för bearbetning av RNA syntetiserat av RNA-polymeras II. Förutom metylering, under bildningen av caps i mRNA från högre eukaryoter, sker metylering av en liten del av interna nukleotider med en frekvens av ungefär en promille av mRNA-baser.

Tillsammans med modifieringen av eukaryot mRNA involverar bearbetning avlägsnandet från primära transkript av intronregioner som inte är informativa för ett givet protein, vars storlek varierar från 100 till 10 000 nukleotider eller mer. Introner står för cirka 80 % av allt hnRNA. Avlägsnandet av introner följt av sammanfogningen av exoniska regioner kallas splitsning (fig. 40).

Splitsning är en mekanism som måste säkerställa avlägsnandet av väldefinierade intronregioner från det primära transkriptet. Brott mot denna process kan leda till en förskjutning i läsramen under translation och omöjligheten att syntetisera en normal peptid. Regelbundenhet för excision av introner säkerställs tydligen genom närvaron av specifika nukleotidsekvenser vid deras ändar, vilka fungerar som signaler för splitsning.

Flera rimliga skarvningsmekanismer har nu beskrivits för att säkerställa noggrannheten i denna process. Kanske uppnås det genom verkan av vissa enzymer som specifikt känner igen de terminala sektionerna av introner och katalyserar brytningen av fosfodiesterbindningar vid exon-introngränsen, och sedan bildandet av bindningar mellan två exoner.

Ett aktivt deltagande i splitsning av speciella små nukleära RNA (snRNA) som bildar komplex med proteiner (snRNPs) har etablerats. Uppenbarligen interagerar snRNA:er komplementärt med sina nukleotidsekvenser med de terminala regionerna av introner, som bildar slutna slingor. Klyvning av RNA vid intronslingans mynning leder till avlägsnande av den icke-informativa sekvensen och sammanfogning (skarvning) av de intilliggande exonändarna.

Den autokatalytiska förmågan hos RNA-transkriptet för splitsning diskuteras också. De beskrivna metoderna för splitsning indikerar frånvaron av en universell mekanism för denna process, men i alla fall uppnås exakt avlägsnande av introner med bildandet av ett specifikt mRNA som tillhandahåller syntesen av proteinet som är nödvändigt för cellen.

För närvarande har möjligheten till alternativ (ömsesidigt uteslutande) splitsning bevisats, där olika nukleotidsekvenser kan raderas från samma primära transkript och olika mogna mRNA kan bildas. Som ett resultat kan samma DNA-nukleotidsekvens tjäna som information för syntesen av olika peptider. Alternativ splitsning är förmodligen mycket typisk i immunglobulingensystemet hos däggdjur, där det möjliggör bildning av mRNA baserat på ett enda transkript för syntes av olika typer av antikroppar.

På grund av de transformationer som sker med RNA-transkriptet under bearbetning är mogna eukaryota mRNA:n mer stabila än prokaryota mRNA.

Efter avslutad bearbetning selekteras moget mRNA innan det kommer in i cytoplasman, där endast 5% av hnRNA kommer in. Resten delas utan att lämna kärnan.

Således bestämmer transformationer av de primära transkripten av eukaryota gener, på grund av deras exonitroniska organisation och behovet av mRNA-överföring från kärnan till cytoplasman, egenskaperna för implementeringen av genetisk information i en eukaryot cell.

Översättning i pro- och eukaryoter. I prokaryota celler är translationsprocessen associerad med syntesen av mRNA: de sker nästan samtidigt. Detta beror till stor del på bräckligheten hos bakteriellt mRNA, som snabbt bryts ned. Förhållandet mellan transkription och translation i bakterier manifesteras i konsistensen av hastigheterna för dessa processer. Vid 37°C sker transkription med en hastighet av 2500 nukleotider/min (14 kodon/s), och translation sker med en hastighet av 15 aminosyror/s.

Översättning i prokaryoter börjar kort efter bildandet av 5 "änden av mRNA, innan dess syntes slutar. Som ett resultat, efter RNA-polymeraset, rör sig ribosomer längs mRNA:t och sätter ihop peptidkedjor (Fig. 41). En tid efter starten av transkription (ca 1 min) och före fullbordande av translation av 3'-änden av mallen, börjar nedbrytningen av dess 5'-ände. På grund av det faktum att livslängden för olika mRNA inte är densamma, är mängden protein syntetiseras på olika mallar är olika.

En av egenskaperna hos translation i prokaryoter är inkluderingen i peptidkedjan som den första aminosyran av en modifierad metionin - formylmetionin, från vilken alla nysyntetiserade peptider börjar. Även i det fall då startkodonets roll utförs av koden GUG, som kodar för valin under normala förhållanden, uppträder formylmetionin i den första positionen av peptiden. Startkodonet AUG eller GUG följer ledarstället, som är skyddat av ribosomen vid tidpunkten för translationsinitiering.

Kopplingen mellan ribosomen och mRNA beror på den komplementära interaktionen mellan nukleotiderna i ett av rRNA:erna med nukleotidsekvensen för mRNA-ledaren.

Denna sekvens (Shine-Dalgarno) är belägen 4-7 baser före AUG-kodonet och finns överallt i ledarregioner i prokaryoter.

När 5'-änden av mRNA är kopplad till den lilla subenheten av ribosomen, uppträder startkodonet vanligtvis nästan i mitten av mRNA-fragmentet som skyddas av ribosomen, i den region som motsvarar dess P-ställe.

Hos eukaryoter sker translation i cytoplasman, där moget mRNA kommer in från kärnan. Den kopierade änden av mRNA:t känns igen av den lilla subenheten av ribosomen, varefter den ledande sekvensen, som innehåller upp till 100 nukleotider, interagerar med rRNA:t. I detta fall är startkodonet AUG i det oavslutade P-stället i ribosomen. Efter att aminoacyl-tRNA som bär metionin har fästs vid startkodonet, återförenas två subenheter av ribosomen och dess A- och P-ställen bildas. Proteinsyntes i en eukaryot cell, utförd på monocistroniskt mRNA, fullbordas efter passagen av ribosomen genom hela mRNA:t, tills den känner igen terminatorkodonet som stoppar bildningen av peptidbindningar.

Posttranslationella transformationer av proteiner. Peptidkedjorna som syntetiseras under translation, på basis av sin primära struktur, får en sekundär och tertiär, och många också en kvartär organisation som bildas av flera peptidkedjor. Beroende på funktionerna som utförs av proteiner kan deras aminosyrasekvenser genomgå olika transformationer och bilda funktionellt aktiva proteinmolekyler.

Många membranproteiner syntetiseras som preproteiner med en ledarsekvens vid N-terminalen som ger honom membranigenkänning. Denna sekvens klyvs av under mognad och införlivande av proteinet i membranet. Sekretoriska proteiner har också en ledarsekvens vid N-terminalen som säkerställer deras transport över membranet. Vissa proteiner, omedelbart efter translation, bär ytterligare aminosyraprosekvenser som bestämmer stabiliteten hos aktiva proteinprekursorer. Under proteinmognaden tas de bort, vilket möjliggör övergången av det inaktiva proproteinet till det aktiva proteinet. Till exempel syntetiseras insulin initialt som preproinsulin. Under utsöndringen klyvs försekvensen av, och sedan genomgår proinsulin en modifiering där en del av kedjan avlägsnas från det och det förvandlas till moget insulin.

Fig. 41. Transkription, translation och nedbrytning av mRNA i prokaryoter:

I - RNA-polymeras binder till DNA och börjar syntetisera mRNA i riktningen 5 "→ 3";

II - när RNA-polymeraset avancerar, fästs ribosomer till 5'-änden av mRNA:t, vilket startar proteinsyntes;

III - en grupp ribosomer följer RNA-polymeraset, dess nedbrytning börjar vid 5'-änden av mRNA;

IV - nedbrytningsprocessen är långsammare än transkription och translation;

V - efter slutet av transkriptionen frigörs mRNA från DNA, translation och nedbrytning vid 5 "änden fortsätter på det

Genom att bilda en tertiär och kvartär organisation under posttranslationella transformationer, förvärvar proteiner förmågan att aktivt fungera, inkluderas i vissa cellulära strukturer och utför enzymatiska och andra funktioner.

De övervägda egenskaperna hos implementeringen av genetisk information i pro- och eukaryota celler avslöjar den grundläggande likheten mellan dessa processer. Därför har mekanismen för genuttryck associerad med transkription och efterföljande översättning av information som är krypterad med hjälp av en biologisk kod utvecklats som en helhet redan innan dessa två typer av cellulär organisation bildades. Den divergerande utvecklingen av genomen hos pro- och eukaryoter ledde till skillnader i organisationen av deras ärftliga material, vilket inte kunde annat än påverka mekanismerna för dess uttryck.

Den ständiga förbättringen av vår kunskap om organisationen och funktionen av materialet av ärftlighet och föränderlighet bestämmer utvecklingen av idéer om genen som en funktionell enhet av detta material.

Block 2. DNA. Frågor 5,6,7.

DNA:s struktur. Modell av J. Watson och F. Crick. Egenskaper och funktioner hos ärftligt material.

Självreproduktion av genetiskt material. DNA-replikation.

Organisation av ärftligt material i pro- och eukaryoter. Klassificering av nukleotidsekvenser i det eukaryota genomet (unik, måttligt repetitiv, mycket repetitiv).

År 1868 upptäckte den schweiziska kemisten F. Miescher i cellkärnor isolerade från pus, och senare från laxspermier, ett ämne som han kallade "nuclein" (från latin nucleus - nucleus). Därefter rapporterade R. Altmann (1889) att "nukleinet" som isolerats av F. Miescher består av två fraktioner - protein och nukleinsyror. Nukleinsyror, liksom proteiner, har en primär struktur (med vilket menas deras nukleotidsekvens) och en tredimensionell struktur. Intresset för DNA:s struktur intensifierades när, i början av 1900-talet. det fanns ett antagande att DNA, möjligen genetiskt material. 1952 upptäckte Chargaff regeln om komplementaritet, som senare fick sitt namn efter skaparen. Det ligger i det faktum att:

1. Mängden adenin är lika med mängden tymin och guanin är lika med cytosin: A=T, G=C.
2. Antalet puriner är lika med antalet pyrimidiner: A + G = T + C.
3. Antalet baser med aminogrupper i position 6 är lika med antalet baser med ketogrupper i position 6: A+C=G+T.

Därefter erhölls en röntgen av DNA:t av Wilkinson. Och lite senare föreslog Watson och Crick 1953 sin egen modell av DNA, för vilken de tillsammans med Wilkinson belönades med Nobelpriset 1962.

Grundläggande principer för DNA-struktur.

1. En DNA-nukleotidmonomer som består av en kvävebas, deoxiribos och en fosforsyrarest. Kvävehaltiga baser kan vara purin A, G eller pyrimidin C, T.

2. Kvävehaltiga baser är bundna till C1-kolatomen i pentosmolekylen, och fosfat är bunden till C5. Den tredje atomen har alltid en grupp HAN.

3. När fosfatet i en nukleotid interagerar med deoxiriboshydroxylen i den andra, fosfodiesterbindning.

4. Kopplingen av nukleotider sker genom pentosens OH till C3-positionen och fosfatet i den efterföljande nukleotiden.

5. DNA är en dubbel polynukleotidkedja. Två polynukleotidkedjor är sammanlänkade med vätebindningar principen om gratis A-T och G-C. Det finns två vätebindningar mellan A och T, och tre vätebindningar mellan T och C.

6. Antiparallelism. Den 5 änden av en kedja är ansluten till den 3 änden av den andra kedjan.

7. Diametern på DNA-spiralen är 2 nm, och tonhöjden är 3,4 nm. Det finns 10 baspar per tur.

8. Primär struktur- polynukleotidkedja.

sekundär struktur- två komplementära antiparallella polynukleotidkedjor.

Tertiär struktur- tredimensionell spiral.

9. DNA har förmågan att replikera.

REPLIKATION.

1 - DNA-mallkedjor; 2 - enzymhelikas, som separerar kedjorna av matris-DNA; 3 - DSB-proteiner som förhindrar återförening av DNA-kedjor; 4 - primas; 5 - RNA-primer (syntetiserad av RNA-polymeras - primas); 6 - DNA-polymerassyntetisering av dotterkedjor; 7 - ledande dottersträng av DNA; 8 - ligas som förbinder Okazaki-fragmenten av den eftersläpande DNA-strängen; 9 - Okazaki-fragment (150-200 nukleotider); 10 - topoisomeras

Syntesen av en ny DNA-molekyl utförs på ett semi-konservativt sätt. Detta innebär att dottermolekylen kommer att innehålla en förälder och en nysyntetiserad sträng. Eftersom DNA-syntes sker på en enkelsträngad mall, föregås den av en obligatorisk tillfällig separation av de två strängarna, med bildandet av en replikationsgaffel. Med hjälp av ett elektronmikroskop visade sig replikationsregionen ha utseendet av ett öga inuti det oreplikerade DNA:t (ett replikationsöga bestående av cirka 300 nukleotider).

Replikon- DNA-fragment från ursprungspunkten för replikationen till punkten för dess avslutning.

För att varva ner DNA-spiralen, speciella enzymer (proteiner). Flera enzymer deltar i replikationen, som var och en utför sin egen funktion.

DNA-helikaser (helikaser) bryta vätebindningar mellan baser, dela strängar och föra fram replikeringsgaffeln.

Destabiliserande proteiner hålla kedjor.

DNA är ett topoisomeras. Kom ihåg att DNA är en helix. Följaktligen, för att gaffeln ska kunna röra sig framåt, måste spiralen snabbt varva ner. Men detta kommer att kräva en stor förlust av energi. Faktum är att detta fortfarande inte händer. Detta underlättas av DNA-topoisomeraser. De introducerar enkel- och dubbelsträngsbrott i kedjan, vilket gör att kedjorna kan separeras och eliminerar sedan dessa brott. Tack vare en av DNA-strängarna börjar kretsa runt den andra strängen. De är också involverade i frikopplingen av ringar som bildas under replikeringen av cirkulärt DNA.

Syntes av DNA-strängar sker med hjälp av DNA-polymeras. Men detta enzym har en egenhet. Det kan lägga till nukleotider till 3-änden av en befintlig kedja. En sådan förformad kedja kallas utsäde, som syntetiserar primas. RNA-primern skiljer sig från resten av DNA-strängen eftersom den innehåller ribos. Fröstorleken är liten. Fröet som har utfört sin funktion avlägsnas av ett speciellt enzym, och gapet som bildas i detta fall elimineras. DNA-polymeras(i detta fall, istället för ett frö, använder den 3OH-änden av det intilliggande DNA-fragmentet).

DNA-replikation förutsätter att syntesen av två strängar sker samtidigt. Men i verkligheten fungerar det inte riktigt så. Kom ihåg att kedjorna är antiparallella. Och syntesen av en ny kedja kan bara ske i riktningen från ände 5 till slut 3. Därför sker kontinuerlig syntes endast på en kedja (ledande). På den andra (släpar efter) förekommer det i Okazaki-fragment. Syntesen av vart och ett av fragmenten utförs med användning av en RNA-primer. Primerna avlägsnas sedan, luckorna fylls med DNA-polymeras och fragmenten tvärbinds med ett enzym. ligas .

Strukturell och funktionell organisation av DNA i pro- och eukaryoter

Studera tabellerna, kopiera dem till en arbetsbok.

Nukleinsyror är makromolekylära ämnen som består av mononukleotider, som är anslutna till varandra i en polymerkedja med hjälp av 3",5" - fosfodiesterbindningar och packade i celler på ett visst sätt.

Nukleinsyror är biopolymerer av två varianter: ribonukleinsyra (RNA) och deoxiribonukleinsyra (DNA). Varje biopolymer består av nukleotider som skiljer sig i kolhydratrester (ribos, deoxiribos) och en av de kvävehaltiga baserna (uracil, tymin). Följaktligen fick nukleinsyror sitt namn.

Struktur av deoxiribonukleinsyra

Nukleinsyror har primära, sekundära och tertiära strukturer.

Primär struktur av DNA

Den primära strukturen av DNA är en linjär polynukleotidkedja i vilken mononukleotider är förbundna med 3", 5" fosfodiesterbindningar. Utgångsmaterialet för sammansättning av en nukleinsyrakedja i en cell är nukleosid-5'-trifosfatet, som, som ett resultat av avlägsnandet av β- och y-rester av fosforsyra, kan fästa 3'-kolatomen i en annan nukleosid . Således binder 3" kolatomen i en deoxiribos kovalent till 5" kolatomen i en annan deoxiribos via en fosforsyrarest och bildar en linjär polynukleotidkedja av nukleinsyra. Därav namnet: 3", 5"-fosfodiesterbindningar. Kvävehaltiga baser deltar inte i kopplingen av nukleotider i en kedja (Fig. 1.).

En sådan koppling, mellan fosforsyramolekylen i en nukleotid och kolhydraten i en annan, leder till bildandet av en pentos-fosfatryggrad i polynukleotidmolekylen, på vilken kvävehaltiga baser tillsätts efter varandra från sidan. Deras sekvens i nukleinsyramolekylernas kedjor är strikt specifik för celler från olika organismer, dvs. har en specifik karaktär (Chargaffs regel).

En linjär DNA-kedja, vars längd beror på antalet nukleotider som ingår i kedjan, har två ändar: en kallas 3 "änden och innehåller en fri hydroxyl, och den andra, 5" änden, innehåller en fosforsyra återstod. Kretsen är polär och kan vara 5"->3" och 3"->5". Ett undantag är cirkulärt DNA.

Den genetiska "texten" av DNA består av kod "ord" - tripletter av nukleotider som kallas kodon. DNA-segment som innehåller information om den primära strukturen för alla typer av RNA kallas strukturella gener.

Polynukleoditiska DNA-kedjor når gigantiska storlekar, så de packas på ett visst sätt i cellen.

Chargaff (1949) studerade DNA-sammansättningen och fastställde viktiga regelbundenheter beträffande innehållet i individuella DNA-baser. De hjälpte till att avslöja den sekundära strukturen av DNA. Dessa mönster kallas Chargaffs regler. Chargaff regler summan av purinukleotider är lika med summan av pyrimidinnukleotider, dvs A + G / C + T \u003d 1 innehållet av adenin är lika med innehållet av tymin (A = T, eller A / T = 1); innehållet av guanin är lika med innehållet av cytosin (G = C, eller G/C = 1); antalet 6-aminogrupper är lika med antalet 6-ketogrupper av baser som ingår i DNA: G + T = A + C; endast summan av A + T och G + C är variabel. Om A + T > G-C är detta AT-typen av DNA; om G + C > A + T, så är detta GC-typen av DNA. Dessa regler säger att när man bygger DNA måste en ganska strikt överensstämmelse (parning) observeras inte för purin- och pyrimidinbaser i allmänhet, utan specifikt för tymin med adenin och cytosin med guanin. Baserat på bland annat dessa regler föreslog Watson och Crick 1953 en modell av DNA:s sekundära struktur, kallad dubbelhelix (Fig.).

Sekundär struktur av DNA

Den sekundära strukturen av DNA är en dubbelhelix, vars modell föreslogs av D. Watson och F. Crick 1953.

Förutsättningar för att skapa en DNA-modell

Som ett resultat av initiala analyser var tanken att DNA av vilket ursprung som helst innehåller alla fyra nukleotiderna i lika molära mängder. Men på 1940-talet visade E. Chargaff och hans kollegor, som ett resultat av analysen av DNA isolerat från olika organismer, tydligt att kvävehaltiga baser finns i dem i olika kvantitativa förhållanden. Chargaff fann att även om dessa förhållanden är desamma för DNA från alla celler av samma art av organismer, kan DNA från olika arter skilja sig markant i innehållet av vissa nukleotider. Detta antydde att skillnaderna i förhållandet mellan kvävehaltiga baser kan vara relaterade till någon biologisk kod. Även om förhållandet mellan individuella purin- och pyrimidinbaser i olika DNA-prov visade sig vara olika, avslöjades ett visst mönster när man jämförde resultaten av analyserna: i alla prover var den totala mängden puriner lika med den totala mängden pyrimidiner (A + G = T + C), mängden adenin var lika med mängden tymin (A = T), och mängden guanin - mängden cytosin (G = C). DNA isolerat från däggdjursceller var i allmänhet rikare på adenin och tymin och relativt fattigare på guanin och cytosin, medan DNA från bakterier var rikare på guanin och cytosin och relativt fattigare på adenin och tymin. Dessa data utgjorde en viktig del av faktamaterialet, på grundval av vilket Watson-Cricks DNA-strukturmodell senare byggdes.

En annan viktig indirekt indikation på den möjliga strukturen hos DNA var L. Paulings data om strukturen hos proteinmolekyler. Pauling visade att flera olika stabila konfigurationer av aminosyrakedjan är möjliga i en proteinmolekyl. En av de vanliga konfigurationerna av peptidkedjan - a-helix - är en regelbunden spiralstruktur. Med en sådan struktur är bildningen av vätebindningar mellan aminosyror belägna på intilliggande varv av kedjan möjlig. Pauling beskrev polypeptidkedjans a-spiralformade konfiguration 1950 och föreslog att DNA-molekyler förmodligen också har en spiralformad struktur fixerad av vätebindningar.

Den mest värdefulla informationen om DNA-molekylens struktur gavs dock av resultaten av röntgendiffraktionsanalys. Röntgenstrålar, som passerar genom en DNA-kristall, genomgår diffraktion, det vill säga de avböjs i vissa riktningar. Graden och naturen av strålarnas avböjning beror på strukturen hos själva molekylerna. Röntgendiffraktionsmönstret (fig. 3) ger det erfarna ögat ett antal indirekta indikationer angående strukturen av molekylerna i ämnet som studeras. Analys av DNA-röntgendiffraktionsmönster ledde till slutsatsen att kvävebaserna (som har en platt form) är staplade som en stapel med plattor. Röntgenmönster gjorde det möjligt att identifiera tre huvudperioder i strukturen av kristallint DNA: 0,34, 2 och 3,4 nm.

Watson-Crick DNA-modell

Med utgångspunkt från Chargaffs analytiska data, Wilkins röntgenstrålar och kemister som gav information om de exakta avstånden mellan atomer i en molekyl, om vinklarna mellan en given atoms bindningar och om atomernas storlek, började Watson och Crick att bygga fysiska modeller av individuella komponenter i DNA-molekylen i en viss skala och "justera" dem till varandra på ett sådant sätt att det resulterande systemet motsvarar olika experimentella data [show] .

Ännu tidigare var det känt att intilliggande nukleotider i en DNA-kedja är förbundna med fosfodiesterbryggor som länkar 5'-kolatomen av deoxiribos i en nukleotid till 3'-kolatomen i deoxiribos i nästa nukleotid. Watson och Crick hade inga tvivel om att en period på 0,34 nm motsvarar avståndet mellan successiva nukleotider i en DNA-sträng. Vidare kan det antas att perioden på 2 nm motsvarar kedjans tjocklek. Och för att förklara vilken verklig struktur som motsvarar en period på 3,4 nm, antog Watson och Crick, liksom tidigare Pauling, att kedjan är vriden i form av en spiral (eller, mer exakt, bildar en helix, eftersom spiral i strikt mening av detta ordet erhålls när varven bildar en konisk snarare än en cylindrisk yta i rymden). Då kommer perioden på 3,4 nm att motsvara avståndet mellan på varandra följande varv i denna spiral. En sådan spiral kan vara mycket tät eller något sträckt, d.v.s. dess svängar kan vara platta eller branta. Eftersom perioden på 3,4 nm är exakt 10 gånger avståndet mellan på varandra följande nukleotider (0,34 nm), är det tydligt att varje hel vändning av helixen innehåller 10 nukleotider. Från dessa data kunde Watson och Crick beräkna densiteten hos en polynukleotidkedja vriden till en helix med en diameter på 2 nm, med ett avstånd mellan varven lika med 3,4 nm. Det visade sig att en sådan sträng skulle ha en densitet som var hälften så stor som den faktiska densiteten av DNA, vilket redan var känt. Jag var tvungen att anta att DNA-molekylen består av två kedjor – att det är en dubbelspiral av nukleotider.

Nästa uppgift var naturligtvis att belysa det rumsliga förhållandet mellan de två strängarna som bildar dubbelhelixen. Efter att ha provat ett antal varianter av arrangemanget av kedjor på deras fysiska modell, fann Watson och Crick att den bästa passformen för alla tillgängliga data är en där två polynukleotidhelixar går i motsatta riktningar; i det här fallet bildar kedjor som består av socker- och fosfatrester ytan av en dubbelspiral, och puriner och pyrimidiner finns inuti. Baserna belägna mitt emot varandra, tillhörande två kedjor, är kopplade i par med vätebindningar; det är dessa vätebindningar som håller samman kedjorna, vilket fixerar den övergripande konfigurationen av molekylen.

DNA-dubbelhelixen kan ses som en spiralformad repstege, där stegpinnarna förblir horisontella. Då kommer två längsgående rep att motsvara kedjor av socker- och fosfatrester, och tvärstängerna kommer att motsvara par av kvävehaltiga baser förbundna med vätebindningar.

Som ett resultat av ytterligare studier av möjliga modeller kom Watson och Crick till slutsatsen att varje "tvärstång" skulle bestå av en purin och en pyrimidin; vid en period av 2 nm (motsvarande diametern på dubbelspiralen) skulle det inte finnas tillräckligt med utrymme för två puriner, och de två pyrimidinerna kunde inte vara tillräckligt nära varandra för att bilda korrekta vätebindningar. En fördjupad studie av den detaljerade modellen visade att adenin och cytosin, samtidigt som de utgör en kombination av rätt storlek, fortfarande inte kunde lokaliseras på ett sådant sätt att vätebindningar bildades mellan dem. Liknande rapporter tvingade också guanin-tymin-kombinationen att uteslutas, medan kombinationerna adenin-tymin och guanin-cytosin visade sig vara helt acceptabla. Vätebindningarnas natur är sådan att adenin bildar ett par med tymin och guanin med cytosin. Detta koncept med specifik basparning gjorde det möjligt att förklara "Chargaff-regeln", enligt vilken mängden adenin i alla DNA-molekyler alltid är lika med innehållet av tymin och mängden guanin alltid är lika med mängden cytosin . Två vätebindningar bildas mellan adenin och tymin, och tre mellan guanin och cytosin. På grund av denna specificitet i bildningen av vätebindningar mot varje adenin i en kedja, är tymin i den andra; på samma sätt kan endast cytosin placeras mot varje guanin. Således är kedjorna komplementära till varandra, det vill säga sekvensen av nukleotider i en kedja bestämmer unikt deras sekvens i den andra. De två kedjorna löper i motsatta riktningar och deras fosfatändgrupper är i motsatta ändar av dubbelhelixen.

Som ett resultat av sin forskning föreslog Watson och Crick 1953 en modell för strukturen hos DNA-molekylen (Fig. 3), som fortfarande är relevant för närvarande. Enligt modellen består en DNA-molekyl av två komplementära polynukleotidkedjor. Varje DNA-sträng är en polynukleotid som består av flera tiotusentals nukleotider. I den bildar närliggande nukleotider en vanlig pentos-fosfatryggrad på grund av kombinationen av en fosforsyrarest och deoxiribos genom en stark kovalent bindning. De kvävehaltiga baserna i en polynukleotidkedja är ordnade i en strikt definierad ordning mot de kvävehaltiga baserna i den andra. Alterneringen av kvävehaltiga baser i polynukleotidkedjan är oregelbunden.

Arrangemanget av kvävehaltiga baser i DNA-kedjan är komplementärt (från grekiskan "komplement" - addition), d.v.s. mot adenin (A) är alltid tymin (T), och mot guanin (G) - endast cytosin (C). Detta förklaras av att A och T, samt G och C, strikt överensstämmer med varandra, d.v.s. ge varandra komplimanger. Denna överensstämmelse ges av den kemiska strukturen hos baserna, som möjliggör bildandet av vätebindningar i ett par av purin och pyrimidin. Mellan A och T finns två bindningar, mellan G och C - tre. Dessa bindningar ger partiell stabilisering av DNA-molekylen i rymden. Dubbelhelixens stabilitet är direkt proportionell mot antalet G≡C-bindningar, som är mer stabila än A=T-bindningarna.

Den kända sekvensen av nukleotider i en DNA-sträng gör det möjligt, genom komplementaritetsprincipen, att etablera nukleotiderna för en annan sträng.

Dessutom har det fastställts att kvävehaltiga baser med en aromatisk struktur är placerade ovanför varandra i en vattenlösning och bildar så att säga en stapel med mynt. Denna process att bilda staplar av organiska molekyler kallas stapling. Polynukleotidkedjorna i DNA-molekylen i den övervägda Watson-Crick-modellen har ett liknande fysikalisk-kemiskt tillstånd, deras kvävebaser är ordnade i form av en stapel med mynt, mellan planen vars van der Waals-interaktioner (staplingsinteraktioner) uppstår.

Vätebindningar mellan komplementära baser (horisontellt) och staplingsinteraktion mellan basplan i en polynukleotidkedja på grund av van der Waals-krafter (vertikalt) ger DNA-molekylen ytterligare stabilisering i rymden.

Sockerfosfatryggraden i båda kedjorna är vända utåt, och baserna är inåt, mot varandra. Riktningen för strängarna i DNA är antiparallell (en av dem har riktningen 5"->3", den andra - 3"->5", dvs. 3"-änden av en sträng är belägen mittemot 5"-änden av den andra.). Kedjorna bildar högra helixar med en gemensam axel. Ett varv av helixen är 10 nukleotider, storleken på varvet är 3,4 nm, höjden på varje nukleotid är 0,34 nm, diametern på helixen är 2,0 nm. Som ett resultat av rotationen av en sträng runt den andra bildas ett större spår (ca 20 Å i diameter) och ett mindre spår (ca 12 Å) i DNA-dubbelhelixen. Denna form av Watson-Crick dubbelhelix kallades senare B-formen. I celler finns DNA vanligtvis i B-form, som är den mest stabila.

Funktioner av DNA

Den föreslagna modellen förklarade många av de biologiska egenskaperna hos deoxiribonukleinsyra, inklusive lagring av genetisk information och mångfalden av gener, tillhandahållen av en mängd olika på varandra följande kombinationer av 4 nukleotider och det faktum att det finns en genetisk kod, förmågan att självreproducera och överföra genetisk information, tillhandahållen av replikationsprocessen, och implementering av genetisk information i form av proteiner, såväl som andra föreningar som bildas med hjälp av enzymproteiner.

Grundläggande funktioner hos DNA.

1. DNA är bäraren av genetisk information, vilket säkerställs av det faktum att den genetiska koden finns.
2. Reproduktion och överförd genetisk information i generationer av celler och organismer. Denna funktion tillhandahålls av replikeringsprocessen.
3. Implementering av genetisk information i form av proteiner, såväl som alla andra föreningar som bildas med hjälp av enzymproteiner. Denna funktion tillhandahålls av processerna för transkription och översättning.

Organisationsformer av dubbelsträngat DNA

DNA kan bilda flera typer av dubbla helixar (Fig. 4). För närvarande är sex former redan kända (från A till E och Z-form).

Strukturella former av DNA, som fastställts av Rosalind Franklin, beror på mättnaden av nukleinsyramolekylen med vatten. I studier av DNA-fibrer med röntgendiffraktionsanalys visades det att röntgendiffraktionsmönstret radikalt beror på vid vilken relativ fuktighet, vid vilken grad av vattenmättnad hos denna fiber, experimentet äger rum. Om fibern var tillräckligt mättad med vatten, erhölls en röntgenbild. Vid torkning uppträdde ett helt annat röntgenmönster, mycket annorlunda än röntgenmönstret hos en fiber med hög fuktighet.

Molekyl med hög luftfuktighet DNA kallas B-form. Under fysiologiska förhållanden (låg saltkoncentration, hög grad av hydrering) är den dominerande strukturella typen av DNA B-formen (huvudformen av dubbelsträngat DNA är Watson-Crick-modellen). Helixdelningen för en sådan molekyl är 3,4 nm. Det finns 10 komplementära par per varv i form av vridna högar av "mynt" - kvävebaser. Staplarna hålls samman av vätebindningar mellan två motsatta "mynt" av staplarna och "lindas" med två band av fosfodiesterryggraden vridna till en högerhänt spiral. Planen för de kvävehaltiga baserna är vinkelräta mot spiralens axel. Närliggande komplementära par roteras i förhållande till varandra med 36°. Helixdiametern är 20Å, med purinukleotiden som upptar 12Å och pyrimidinnukleotiden upptar 8Å.

DNA-molekyl med lägre fuktighet kallas A-form. A-formen bildas under förhållanden med mindre hög hydratisering och vid en högre halt av Na+- eller K+-joner. Denna bredare högerhänta konformation har 11 baspar per tur. Planen av kvävehaltiga baser har en starkare lutning mot spiralens axel, de avviker från normalen till spiralens axel med 20°. Detta innebär närvaron av ett inre tomrum med en diameter på 5 Å. Avståndet mellan intilliggande nukleotider är 0,23 nm, spolens längd är 2,5 nm och diametern på helixen är 2,3 nm.

Till en början ansågs A-formen av DNA vara mindre viktig. Senare visade det sig dock att A-formen av DNA, liksom B-formen, har stor biologisk betydelse. RNA-DNA-spiralen i mall-frökomplexet har A-formen, såväl som RNA-RNA-helixen och RNA-hårnålsstrukturerna (2'-hydroxylgruppen av ribos tillåter inte RNA-molekyler att bilda B-formen) . A-formen av DNA finns i sporer. Det har konstaterats att A-formen av DNA är 10 gånger mer resistent mot UV-strålar än B-formen.

A-formen och B-formen kallas de kanoniska formerna av DNA.

Blanketter C-Eäven högerhänta kan deras bildning endast observeras i speciella experiment, och uppenbarligen existerar de inte in vivo. C-formen av DNA har en struktur som liknar B-DNA. Antalet baspar per varv är 9,33 och helixens längd är 3,1 nm. Basparen lutar i en vinkel på 8 grader i förhållande till den vinkelräta positionen mot axeln. Spåren är i storlek nära spåren i B-DNA. I det här fallet är huvudspåret något mindre, och det mindre spåret är djupare. Naturliga och syntetiska DNA-polynukleotider kan passera in i C-formen.

Tabell 1. Egenskaper för vissa typer av DNA-strukturer
Spiral typ	A	B	Z
Spiral stigning	0,32 nm	3,38 nm	4,46 nm
Spiral twist	Höger	Höger	Vänster
Antal baspar per varv	11	10	12
Avstånd mellan basplan	0,256 nm	0,338 nm	0,371 nm
Konformation av glykosidbindningar	anti	anti	anti-C syn-G
Furanosringkonformation	C3 "-endo	C2 "-endo	C3 "-endo-G C2"-endo-C
Spårbredd, liten/stor	1,11/0,22 nm	0,57/1,17 nm	0,2/0,88 nm
Spårdjup, liten/stor	0,26/1,30 nm	0,82/0,85 nm	1,38/0,37 nm
Spiral diameter	2,3 nm	2,0 nm	1,8 nm

Strukturella delar av DNA
(icke-kanoniska DNA-strukturer)

Strukturella element i DNA inkluderar ovanliga strukturer som begränsas av några speciella sekvenser:

Z-form av DNA - bildas på platser av B-form av DNA, där puriner alternerar med pyrimidiner eller i upprepningar som innehåller metylerat cytosin. Palindromer är flip-sekvenser, inverterade upprepningar av bassekvenser, som har en andra ordningens symmetri med avseende på två DNA-strängar och bildar "hårnålar" och "korsningar". H-formen av DNA och trippelspiraler av DNA bildas i närvaro av ett ställe som endast innehåller puriner i en sträng av den normala Watson-Crick-duplexen, och i den andra strängen, respektive pyrimidiner som är komplementära till dem. G-quadruplex (G-4) är en fyrsträngad DNA-helix, där 4 guaninbaser från olika strängar bildar G-kvartetter (G-tetrader), hålls samman av vätebindningar för att bilda G-quadruplex.

Z-form av DNA upptäcktes 1979 när man studerade hexanukleotiden d(CG)3-. Den öppnades av MIT-professorn Alexander Rich och hans personal. Z-formen har blivit en av de viktigaste strukturella elementen i DNA på grund av att dess bildning observerades i DNA-regioner där puriner alternerar med pyrimidiner (till exempel 5'-HCHCHC-3'), eller i upprepningar 5' -CHCHCH-3' innehållande metylerat cytosin. En väsentlig förutsättning för bildandet och stabiliseringen av Z-DNA var närvaron i det av purin-nukleotider i syn-konformationen, alternerande med pyrimidinbaser i anti-konformationen.

Naturliga DNA-molekyler finns oftast i rätt B-form om de inte innehåller sekvenser som (CG)n. Men om sådana sekvenser är en del av DNA:t kan dessa regioner, när jonstyrkan hos lösningen eller katjonerna som neutraliserar den negativa laddningen på fosfodiesterryggraden, ändras till Z-formen, medan andra DNA-regioner i kedjan finns kvar. i klassisk B-form. Möjligheten till en sådan övergång indikerar att de två strängarna i DNA-dubbelhelixen är i ett dynamiskt tillstånd och kan varva ner i förhållande till varandra, passera från den högra formen till den vänstra och vice versa. De biologiska konsekvenserna av denna labilitet, som tillåter konformationella transformationer av DNA-strukturen, är ännu inte helt klarlagda. Man tror att Z-DNA-regioner spelar en roll i regleringen av uttrycket av vissa gener och deltar i genetisk rekombination.

Z-formen av DNA är en vänsterhänt dubbelhelix, där fosfodiesterryggraden är sicksackad längs molekylens axel. Därav namnet på molekylen (sicksack)-DNA. Z-DNA är det minst vridna (12 baspar per varv) och det tunnaste som finns i naturen. Avståndet mellan intilliggande nukleotider är 0,38 nm, spollängden är 4,56 nm och Z-DNA-diametern är 1,8 nm. Dessutom kännetecknas utseendet på denna DNA-molekyl av närvaron av ett enda spår.

Z-formen av DNA har hittats i prokaryota och eukaryota celler. Hittills har antikroppar erhållits som kan skilja mellan Z-formen och B-formen av DNA. Dessa antikroppar binder till specifika regioner av jättekromosomerna hos Drosophila (Dr. melanogaster) spottkörtelceller. Bindningsreaktionen är lätt att följa på grund av den ovanliga strukturen hos dessa kromosomer, där tätare regioner (diskar) kontrasterar med mindre täta regioner (mellandiskar). Z-DNA-regioner är belägna i mellanskivorna. Av detta följer att Z-formen faktiskt existerar under naturliga förhållanden, även om storlekarna på de enskilda sektionerna av Z-formen ännu inte är kända.

(shifters) - de mest kända och frekvent förekommande bassekvenserna i DNA. Ett palindrom är ett ord eller en fras som läses från vänster till höger och vice versa på samma sätt. Exempel på sådana ord eller fraser är: HYTA, KOSSACK, FLOD OCH EN ROSA FALLAD PÅ AZORS TASSAR. När den tillämpas på sektioner av DNA, betyder denna term (palindrom) samma växling av nukleotider längs kedjan från höger till vänster och från vänster till höger (som bokstäverna i ordet "hydda", etc.).

Ett palindrom kännetecknas av närvaron av inverterade upprepningar av bassekvenser som har en andra ordningens symmetri med avseende på två DNA-strängar. Sådana sekvenser är av uppenbara skäl självkomplementära och tenderar att bilda hårnåls- eller korsformade strukturer (Fig.). Hårnålar hjälper regulatoriska proteiner att känna igen platsen där den genetiska texten av kromosom-DNA kopieras.

I de fall där en inverterad upprepning finns i samma DNA-sträng kallas en sådan sekvens för en spegelupprepning. Spegelupprepningar har inte självkomplementära egenskaper och kan därför inte bilda hårnåls- eller korsformade strukturer. Sekvenser av denna typ finns i nästan alla stora DNA-molekyler och kan variera från bara några få baspar till flera tusen baspar.

Förekomsten av palindromer i form av korsformade strukturer i eukaryota celler har inte bevisats, även om ett antal korsformade strukturer har hittats in vivo i E. coli-celler. Närvaron av självkomplementära sekvenser i RNA eller enkelsträngat DNA är huvudorsaken till veckningen av nukleinkedjan i lösningar till en viss rumslig struktur, som kännetecknas av bildandet av många "hårnålar".

H-form av DNA- det här är en helix som bildas av tre DNA-strängar - den trippelspiral av DNA. Det är ett komplex av Watson-Crick dubbelhelix med den tredje enkelsträngade DNA-strängen, som passar in i dess stora skåra, med bildandet av det så kallade Hoogsteen-paret.

Bildandet av en sådan triplex sker som ett resultat av tillägget av DNA-dubbelhelixen på ett sådant sätt att hälften av dess sektion förblir i form av en dubbelhelix, och den andra halvan kopplas bort. I det här fallet bildar en av de frånkopplade spiralerna en ny struktur med den första halvan av den dubbla helixen - en trippelspiral, och den andra visar sig vara ostrukturerad, i form av en enkelfilamentsektion. En egenskap hos denna strukturella övergång är ett kraftigt beroende av mediets pH, vars protoner stabiliserar den nya strukturen. På grund av denna egenskap kallades den nya strukturen H-formen av DNA, vars bildande hittades i supercoilade plasmider innehållande homopurin-homopyrimidinregioner, som är en spegelupprepning.

I ytterligare studier har det fastställts att det är möjligt att utföra en strukturell övergång av vissa dubbelsträngade homopurin-homopyrimidin-polynukleotider med bildandet av en tresträngad struktur innehållande:

• en homopurin och två homopyrimidinsträngar ( Py-Pu-Py triplex) [Hoogsteen interaktion].

  De ingående blocken i Py-Pu-Py-triplexet är kanoniska isomorfa CGC+- och TAT-triader. Stabilisering av triplexet kräver protonering av CGC+-triaden, så dessa triplex är beroende av lösningens pH.

• en homopyrimidin och två homopurinsträngar ( Py-Pu-Pu triplex) [omvänd Hoogsteen-interaktion].

  De ingående blocken i Py-Pu-Pu-triplexen är de kanoniska isomorfa CGG- och TAA-triaderna. En väsentlig egenskap hos Py-Pu-Pu-triplexer är beroendet av deras stabilitet på närvaron av dubbelt laddade joner, och olika joner behövs för att stabilisera triplex med olika sekvenser. Eftersom bildningen av Py-Pu-Pu-triplex inte kräver protonering av deras ingående nukleotider, kan sådana triplex existera vid neutralt pH.

  Notera: den direkta och omvända Hoogsteen-interaktionen förklaras av symmetrin hos 1-metyltymin: en 180 ° rotation leder till det faktum att O4-atomens plats upptas av O2-atomen, medan systemet av vätebindningar bevaras.

Det finns två typer av trippelspiraler:

1. parallella trippelhelixar där polariteten för den tredje strängen är densamma som den för homopurinkedjan i Watson-Crick duplex
2. antiparallella trippelhelixar, i vilka polariteterna för tredje- och homopurinkedjorna är motsatta.

Kemiskt homologa kedjor i både Py-Pu-Pu- och Py-Pu-Py-triplex är i antiparallell orientering. Detta bekräftades ytterligare av NMR-spektroskopidata.

G-quadruplex- 4-strängat DNA. En sådan struktur bildas om det finns fyra guaniner, som bildar den så kallade G-quadruplex - en runddans av fyra guaniner.

De första antydningarna om möjligheten av bildandet av sådana strukturer erhölls långt före Watsons och Cricks genombrottsarbete - så tidigt som 1910. Då upptäckte den tyske kemisten Ivar Bang att en av komponenterna i DNA - guanosinsyra - bildar geler i höga koncentrationer, medan andra komponenter i DNA inte har denna egenskap.

1962, med hjälp av röntgendiffraktionsmetoden, var det möjligt att fastställa cellstrukturen för denna gel. Det visade sig vara sammansatt av fyra guaninrester, som länkade varandra i en cirkel och bildar en karakteristisk kvadrat. I mitten stöds bindningen av en metalljon (Na, K, Mg). Samma strukturer kan bildas i DNA om det innehåller mycket guanin. Dessa platta kvadrater (G-kvartetter) är staplade för att bilda ganska stabila, täta strukturer (G-quadruplexes).

Fyra separata DNA-strängar kan vävas till fyrsträngade komplex, men detta är snarare ett undantag. Oftare binds en enkel sträng av nukleinsyra helt enkelt till en knut och bildar karakteristiska förtjockningar (till exempel i ändarna av kromosomerna), eller så bildar dubbelsträngat DNA ett lokalt quadruplex på något guaninrikt ställe.

Det mest studerade är förekomsten av quadruplexes i ändarna av kromosomerna - på telomerer och i onkopromotorer. Men en fullständig förståelse av lokaliseringen av sådant DNA i mänskliga kromosomer är fortfarande inte känd.

Alla dessa ovanliga strukturer av DNA i linjär form är instabila jämfört med B-formen av DNA. Men DNA existerar ofta i en ringform av topologisk spänning när det har vad som kallas supercoiling. Under dessa förhållanden bildas lätt icke-kanoniska DNA-strukturer: Z-former, "korsningar" och "hårnålar", H-former, guaninkvadruplexer och i-motivet.

• Supercoiled form - noteras när den frigörs från cellkärnan utan skada på pentos-fosfatryggraden. Den har formen av supertvinnade slutna ringar. I det supertvinnade tillståndet "tvinnas den dubbla helixen av DNA på sig själv" minst en gång, d.v.s. den innehåller minst en superspiral (tar formen av en åtta).
• Avslappnat tillstånd av DNA - observeras med ett enda brott (avbrott av en sträng). I det här fallet försvinner superspolarna och DNA:t tar formen av en sluten ring.
• Den linjära formen av DNA observeras när två strängar av dubbelhelixen bryts.

Alla tre listade former av DNA separeras lätt genom gelelektrofores.

Tertiär struktur av DNA

Tertiär struktur av DNA bildas som ett resultat av ytterligare vridning i rymden av en dubbelsträngad molekyl - dess supercoiling. Supercoiling av DNA-molekylen i eukaryota celler, i motsats till prokaryoter, utförs i form av komplex med proteiner.

Nästan allt eukaryotiskt DNA finns i kärnornas kromosomer, endast en liten del av det finns i mitokondrier och i växter och i plastider. Huvudsubstansen i eukaryota cellers kromosomer (inklusive mänskliga kromosomer) är kromatin, bestående av dubbelsträngat DNA, histon och icke-histonproteiner.

Histonproteiner av kromatin

Histoner är enkla proteiner som utgör upp till 50 % av kromatinet. I alla studerade celler från djur och växter hittades fem huvudklasser av histoner: H1, H2A, H2B, H3, H4, olika i storlek, aminosyrasammansättning och laddning (alltid positiv).

Däggdjurshiston H1 består av en enda polypeptidkedja innehållande cirka 215 aminosyror; Storleken på andra histoner varierar från 100 till 135 aminosyror. Alla är spiraliserade och vridna till en kula med en diameter på cirka 2,5 nm, innehåller en ovanligt stor mängd positivt laddade aminosyror lysin och arginin. Histoner kan acetyleras, metyleras, fosforyleras, poly(ADP)-ribosylerade och histonerna H2A och H2B kan kopplas kovalent till ubiquitin. Vilken roll sådana modifieringar har i bildandet av strukturen och utförandet av funktioner av histoner har ännu inte helt klarlagts. Det antas att detta är deras förmåga att interagera med DNA och tillhandahålla en av mekanismerna för att reglera verkan av gener.

Histoner interagerar med DNA huvudsakligen genom jonbindningar (saltbryggor) som bildas mellan de negativt laddade fosfatgrupperna i DNA och de positivt laddade lysin- och argininresterna i histoner.

Icke-histonproteiner av kromatin

Icke-histonproteiner, till skillnad från histoner, är mycket olika. Upp till 590 olika fraktioner av DNA-bindande icke-histonproteiner har isolerats. De kallas också sura proteiner, eftersom sura aminosyror dominerar i deras struktur (de är polyanjoner). Den specifika regleringen av kromatinaktivitet är associerad med en mängd olika icke-histonproteiner. Till exempel kan enzymer som är väsentliga för DNA-replikation och -expression binda till kromatin övergående. Andra proteiner, säg de som är involverade i olika regulatoriska processer, binder till DNA endast i specifika vävnader eller i vissa stadier av differentiering. Varje protein är komplementärt till en specifik sekvens av DNA-nukleotider (DNA-ställe). Denna grupp inkluderar:

• en familj av platsspecifika zinkfingerproteiner. Varje "zinkfinger" känner igen ett specifikt ställe som består av 5 nukleotidpar.
• en familj av platsspecifika proteiner - homodimerer. Ett fragment av ett sådant protein i kontakt med DNA har en "helix-turn-helix"-struktur.
• high mobility proteins (HMG proteins - från engelska, high mobility gel proteins) är en grupp av strukturella och regulatoriska proteiner som ständigt förknippas med kromatin. De har en molekylvikt på mindre än 30 kD och kännetecknas av ett högt innehåll av laddade aminosyror. På grund av sin låga molekylvikt är HMG-proteiner mycket rörliga under polyakrylamidgelelektrofores.
• enzymer för replikation, transkription och reparation.

Med deltagande av strukturella, regulatoriska proteiner och enzymer involverade i syntesen av DNA och RNA, omvandlas nukleosomtråden till ett mycket kondenserat komplex av proteiner och DNA. Den resulterande strukturen är 10 000 gånger kortare än den ursprungliga DNA-molekylen.

Kromatin

Kromatin är ett komplex av proteiner med nukleärt DNA och oorganiska ämnen. Det mesta av kromatinet är inaktivt. Den innehåller tätt packad, kondenserad DNA. Detta är heterokromatin. Det finns konstitutiva, genetiskt inaktiva kromatin (satellit-DNA) som består av icke-uttryckta regioner och fakultativa - inaktiva i ett antal generationer, men under vissa omständigheter kapabla att uttrycka.

Aktivt kromatin (eukromatin) är okondenserat, d.v.s. packade mindre tätt. I olika celler varierar dess innehåll från 2 till 11%. I hjärnans celler är det mest - 10-11%, i leverns celler - 3-4 och njurarna - 2-3%. Det finns en aktiv transkription av eukromatin. Samtidigt gör dess strukturella organisation det möjligt att använda samma DNA-genetiska information som är inneboende i en given typ av organism på olika sätt i specialiserade celler.

I ett elektronmikroskop liknar bilden av kromatin pärlor: sfäriska förtjockningar cirka 10 nm i storlek, åtskilda av trådformiga broar. Dessa sfäriska förtjockningar kallas nukleosomer. Nukleosomen är den strukturella enheten av kromatin. Varje nukleosom innehåller ett 146 bp långt supercoiled DNA-segment sår för att bilda 1,75 vänstervarv per nukleosomkärna. Den nukleosomala kärnan är en histonoktamer som består av histonerna H2A, H2B, H3 och H4, två molekyler av varje typ (Fig. 9), som ser ut som en skiva med en diameter på 11 nm och en tjocklek av 5,7 nm. Den femte histonen, H1, är inte en del av den nukleosomala kärnan och är inte involverad i processen för DNA-slingring runt histonoktameren. Den kommer i kontakt med DNA vid de punkter där dubbelspiralen går in i och ut ur den nukleosomala kärnan. Dessa är intercore (linker) sektioner av DNA, vars längd varierar beroende på typen av cell från 40 till 50 nukleotidpar. Som ett resultat varierar även längden på DNA-fragmentet som är en del av nukleosomerna (från 186 till 196 nukleotidpar).

Nukleosomen innehåller cirka 90% av DNA, resten av det är länken. Man tror att nukleosomer är fragment av "tyst" kromatin, medan länken är aktiv. Nukleosomer kan emellertid utvecklas och bli linjära. Oveckade nukleosomer är redan aktiva kromatin. Detta visar tydligt funktionens beroende av strukturen. Det kan antas att ju mer kromatin som finns i sammansättningen av globulära nukleosomer, desto mindre aktivt är det. Uppenbarligen är den ojämna andelen vilande kromatin i olika celler associerad med antalet sådana nukleosomer.

På elektronmikroskopiska fotografier, beroende på förhållandena för isolering och graden av sträckning, kan kromatin se ut inte bara som en lång tråd med förtjockningar - "pärlor" av nukleosomer, utan också som en kortare och tätare fibril (fiber) med en diameter på 30 nm, vars bildande observeras under interaktionen histon H1 associerad med länkområdet av DNA och histon H3, vilket leder till ytterligare vridning av helixen av sex nukleosomer per varv med bildandet av en solenoid med en diameter på 30 nm . I detta fall kan histonproteinet störa transkriptionen av ett antal gener och därmed reglera deras aktivitet.

Som ett resultat av interaktionerna mellan DNA och histoner som beskrivs ovan förvandlas ett segment av DNA-dubbelhelixen på 186 baspar med en medeldiameter på 2 nm och en längd på 57 nm till en helix med en diameter på 10 nm och en längd av 5 nm. Med den efterföljande komprimeringen av denna spiral till en fiber med en diameter på 30 nm ökar kondensationsgraden med ytterligare sex gånger.

I slutändan resulterar packningen av DNA-duplexet med fem histoner i en 50-faldig DNA-kondensering. Men även en så hög grad av kondensering kan inte förklara den nästan 50 000-100 000-faldiga DNA-komprimeringen i metafaskromosomen. Tyvärr är detaljerna för den ytterligare packningen av kromatin upp till metafaskromosomen ännu inte kända, därför kan endast allmänna egenskaper hos denna process beaktas.

Nivåer av DNA-komprimering i kromosomer

Varje DNA-molekyl är förpackad i en separat kromosom. Diploida mänskliga celler innehåller 46 kromosomer, som finns i cellkärnan. Den totala längden på DNA:t för alla kromosomer i en cell är 1,74 m, men diametern på kärnan där kromosomerna är packade är miljontals gånger mindre. En sådan kompakt packning av DNA i kromosomer och kromosomer i cellkärnan tillhandahålls av en mängd olika histon- och icke-histonproteiner som interagerar i en viss sekvens med DNA (se ovan). Komprimering av DNA i kromosomer gör det möjligt att minska dess linjära dimensioner med cirka 10 000 gånger - villkorligt från 5 cm till 5 mikron. Det finns flera nivåer av kompaktering (Fig. 10).

• DNA dubbelhelix är en negativt laddad molekyl med en diameter på 2 nm och en längd på flera cm.
• nukleosomal nivå- kromatin ser i ett elektronmikroskop ut som en kedja av "pärlor" - nukleosomer - "på en tråd". Nukleosomen är en universell strukturell enhet som finns både i eukromatin och heterokromatin, i interfaskärnan och metafaskromosomerna.

  Den nukleosomala nivån av kompaktering tillhandahålls av speciella proteiner - histoner. Åtta positivt laddade histondomäner bildar kärnan (kärnan) av nukleosomen runt vilken den negativt laddade DNA-molekylen är lindad. Detta ger en förkortning med en faktor 7, medan diametern ökar från 2 till 11 nm.

• solenoidnivå

  Solenoidnivån för kromosomorganisation kännetecknas av vridningen av det nukleosomala filamentet och bildandet av tjockare fibriller 20-35 nm i diameter från det - solenoider eller superbider. Solenoiddelningen är 11 nm, och det finns cirka 6-10 nukleosomer per varv. Solenoidpackning anses mer sannolikt än superbid packning, enligt vilken en kromatinfibrill med en diameter på 20–35 nm är en kedja av granuler, eller superbids, som var och en består av åtta nukleosomer. På solenoidnivån reduceras den linjära storleken på DNA med 6-10 gånger, diametern ökar till 30 nm.

• slingnivå

  Slingnivån tillhandahålls av icke-histonplatsspecifika DNA-bindande proteiner som känner igen och binder till specifika DNA-sekvenser och bildar loopar på cirka 30-300 kb. Slingan säkerställer genuttryck, d.v.s. slingan är inte bara en strukturell utan också en funktionell formation. Förkortning på denna nivå sker med 20-30 gånger. Diametern ökar till 300 nm. Slingliknande "lampborste"-strukturer i amfibieoocyter kan ses på cytologiska preparat. Dessa slingor verkar vara supercoiled och representerar DNA-domäner, förmodligen motsvarande enheter av kromatintranskription och replikation. Specifika proteiner fixerar slingornas baser och, möjligen, några av deras inre regioner. Den loopliknande domänorganisationen underlättar veckningen av kromatin i metafaskromosomer till spiralformade strukturer av högre ordning.

• domännivå

  Domännivån för kromosomorganisation har inte studerats tillräckligt. På denna nivå noteras bildandet av slingdomäner - strukturer av filament (fibriller) 25-30 nm tjocka, som innehåller 60% protein, 35% DNA och 5% RNA, är praktiskt taget osynliga i alla faser av cellcykeln med undantag av mitos och är något slumpmässigt fördelade över cellkärnan. Slingliknande "lampborste"-strukturer i amfibieoocyter kan ses på cytologiska preparat.

  Loop-domäner är fästa med sin bas till den intranukleära proteinmatrisen i de så kallade inbyggda fästställena, ofta kallade MAR/SAR-sekvenser (MAR, från den engelska matrisassocierade regionen; SAR, från de engelska scaffold-attachment-regionerna) - DNA-fragment flera hundra långa baspar som kännetecknas av ett högt innehåll (>65%) av A/T-baspar. Varje domän verkar ha ett enda replikeringsursprung och fungerar som en autonom superspolad enhet. Varje slingdomän innehåller många transkriptionsenheter, vars funktion sannolikt kommer att koordineras - hela domänen är antingen i ett aktivt eller inaktivt tillstånd.

  På domännivå, som ett resultat av sekventiell packning av kromatin, minskar de linjära dimensionerna av DNA med cirka 200 gånger (700 nm).

• kromosomnivå

  På kromosomnivån kondenserar profaskromosomen till en metafas ett med komprimering av slingdomäner runt det axiella ramverket av icke-histonproteiner. Denna supercoiling åtföljs av fosforylering av alla H1-molekyler i cellen. Som ett resultat kan metafaskromosomen avbildas som tätt packade solenoidslingor lindade till en tät spiral. En typisk mänsklig kromosom kan innehålla upp till 2600 slingor. Tjockleken på en sådan struktur når 1400 nm (två kromatider), medan DNA-molekylen förkortas med 104 gånger, d.v.s. från 5 cm sträckt DNA till 5 µm.

Funktioner av kromosomer

I interaktion med extrakromosomala mekanismer ger kromosomer

1. lagring av ärftlig information
2. använda denna information för att skapa och underhålla mobilorganisation
3. reglering av läsning av ärftlig information
4. självduplicering av genetiskt material
5. överföring av genetiskt material från en modercell till dotterceller.

Det finns bevis för att efter aktivering av en kromatinregion, dvs. under transkription avlägsnas histon H1 reversibelt från den först, och sedan histonoktetten. Detta orsakar dekondensering av kromatin, successiv övergång av en 30-nm kromatinfibril till en 10-nm filament, och dess vidare utveckling till regioner av fritt DNA, dvs. förlust av nukleosomal struktur.

Beteende: ett evolutionärt tillvägagångssätt Kurchanov Nikolai Anatolievich

1.2. Organisation av genetiskt material

Den strukturella och funktionella organisationen av den genetiska apparaten bestämmer uppdelningen av alla levande organismer i prokaryoter och eukaryoter. I prokaryoter (som inkluderar bakterier och archaea) representeras DNA av en cirkulär molekyl och finns i cellens cytoplasma. I eukaryoter (som inkluderar alla andra organismer) är DNA den strukturella bäraren av genetisk information. kromosomer, ligger i kärnan.

Kromosomer är en komplex flernivåstruktur där DNA interagerar med olika proteiner. Basnivån för denna struktur är nukleosomer som är kulor av åtta proteinmolekyler histoner, sammanflätat DNA. Nukleohistonsträngen viks ytterligare många gånger och bildar kompakta kromosomer. Denna struktur öppnar stora möjligheter för reglering.

Eftersom antalet gener i en organism är ojämförligt större än antalet kromosomer, är det tydligt att varje kromosom bär på många gener. Varje gen upptar en specifik plats på kromosomen. ställe. Gener som finns på samma kromosom kallas länkade.

Förutom kärnan finns en liten del av den genetiska informationen i en eukaryot cell i organeller som mitokondrier och kloroplaster, som har sina egna genetiska system: sitt eget DNA, olika RNA (i-RNA, t-RNA, r). -RNA) och ribosomer, vilket möjliggör oberoende syntesekorre. Dessa organellers cirkulära DNA var ett viktigt argument till förmån för deras bakteriella symbiotiska ursprung i början av livets bildande.

Cellkärnan i eukaryoter separerar processerna för transkription och translation, vilket ger stora möjligheter till reglering. Reglering sker i alla stadier av eukaryot genuttryck. Deras ytterligare steg är bearbetning - processen med komplexa transformationer av RNA som syntetiseras under transkription. Den viktigaste komponenten i mRNA-bearbetning är skarvning, där skärning sker introner(icke-kodande regioner av genen) och tvärbindning exoner(kodningsregioner). Exoner och introner bestämmer "mosaik"-strukturen hos eukaryota gener. Det är som ett resultat av bearbetningen som det RNA som syntetiseras i kärnan blir funktionellt aktivt.

Att förstå de olika regleringsmekanismerna har orsakat radikala förändringar i våra idéer om den strukturella och funktionella organisationen av den genetiska apparaten för närvarande.

En av grundarna av modern genetik, den framstående danske vetenskapsmannen W. Johannsen (1857–1927), föreslog grundläggande genetiska termer - gen, allel, genotyp, fenotyp, som bestämmer de genetiska egenskaperna hos en individ.

Gener som är lokaliserade på deras loci kan ha varianter − alleler. Ett lokus som har mer än en allel i en population kallas polymorf. Vanligtvis betecknas alleler med bokstäver i det latinska eller grekiska alfabetet, och om det finns många av dem, då med en upphöjd. Antalet alleler av olika gener i populationer av organismer kan vara olika. Vissa gener har många alleler, andra har få. Hur som helst är antalet alleler begränsat av evolutionära faktorer: alleler som försämrar artens adaptiva egenskaper eller är oförenliga med livet elimineras av naturligt urval.

En speciell eukaryot organism har bara två alleler av en gen: enligt antalet homologa loci av homologa kromosomer (faderlig och moderlig). En organism där båda allelerna är lika kallas homozygot(för denna gen). En organism som har olika alleler kallas heterozygot(Fig. 1.4). Alleler lokaliserade på könskromosomerna hos det heterogametiska könet kan finnas i singularis.

Genotyp kan representeras som en uppsättning alleler av en organism, och fenotyp - som en uppsättning av dess yttre egenskaper.

Begreppet introducerades 1920 av den tyske botanikern G. Winkler (1877–1945). genomet blev ett kännetecken för en hel art av organismer, och inte en specifik individ. Detta koncept blev senare ett av de viktigaste. På 1980-talet 1900-talet en ny gren av genetik, genomik, håller på att växa fram. Ursprungligen karakteriserades genomet som en samling haploida genloci. Det visade sig dock att generna själva upptar en relativt liten del av arvsmassan, även om de utgör dess grund. De flesta av dem är ockuperade av intergena regioner, där det finns regioner med en reglerande funktion, såväl som regioner med en okänd destination. Regulatoriska regioner är oupplösligt förbundna med gener, de är ett slags "instruktioner" som bestämmer geners arbete i olika stadier av utvecklingen av organismen. Därför kallas genomet för närvarande hela uppsättningen av DNA i cellen, karakteristisk för artens DNA.

I det nuvarande utvecklingsstadiet av genetik blir genomik en av dess nyckelsektioner. Genomics framgång visades tydligt av det framgångsrika genomförandet av Human Genome Program.

Ris. 1.4. Alleler av länkade gener från två homologa kromosomer

Ur boken Mikrobiologi: föreläsningsanteckningar författare Tkachenko Ksenia Viktorovna

1. Organisering av bakteriers ärftliga material. Bakteriernas ärftliga apparat representeras av en kromosom, som är en DNA-molekyl, den spiraliseras och viks till en ring. Denna ring är vid en punkt fäst vid det cytoplasmatiska membranet. På

Från boken The Crisis of Agricultural Civilization and Geneically Modified Organisms författare Glazko Valery Ivanovich

Metoder för att upptäcka främmande genetiskt material i livsmedel

Från boken STAMP OF CREATOR. Hypotes om livets ursprung på jorden. författare Filatov Felix Petrovich

Del två? Genetisk kodningsmaskin

Från boken Fundamentals of Psychophysiology författare Alexandrov Yuri

Kapitel 11. Mekanik för genetisk kodning (XI) Du kan läsa om det i vilken lärobok som helst. Och ändå - för att underlätta förståelsen av följande resonemang - låt oss uppehålla oss mycket kort vid kodningsmaskinens funktion. Barbieri tillskriver bildandet av sådana maskiner till

Från Phenetics bok [Evolution, befolkning, tecken] författare Yablokov Alexey Vladimirovich

Del tre? Aritmetik av genetisk kodning

Från boken Skaparens varumärke författare Filatov Felix Petrovich

Kapitel A. Analoga tabeller av den genetiska koden (XIII) Den första som försökte effektivisera tabellen för den genetiska koden och bygga den på en rationell grund var vår enastående vetenskapsman, Yuri Borisovich Rumer. Han var fysiker, elev till Max Born, kände Albert Einstein väl,

Från författarens bok

Kapitel B. Baryondigitalisering av den genetiska koden (XIV) FORMAT 1D och 2D Strängt taget kallas det bevarade kvanttalet för ett system för baryontalet. Vi behöver inte fördjupa oss i detta ämne. Kanske är det värt att bara komma ihåg att en baryon är en elementarpartikel,

Från författarens bok

8.6. Betydelsen av patologiskt material för studiet av den systemiska organisationen av beteende

Från författarens bok

Mutationsprocessen är den första leverantören av evolutionärt material. Elementära evolutionära faktorer särskiljs på basis av arten och arten av deras påverkan på populationer, såväl som på grundval av resultaten av det tryck de utövar på populationer. Samtidigt det nödvändiga och tillräckliga

Från författarens bok

Befolkningsfluktuationer - den andra leverantören av material för evolution En av de viktigaste evolutionära faktorerna är periodiska förändringar i antalet individer, befolkningsvågor. I det här fallet talar vi om fluktuationer i positiv och negativ riktning, som ersätter varandra.

Från författarens bok

Att studera dynamiken i den genetiska sammansättningen av en population I början av denna bok betonades det att en av de viktigaste uppgifterna för modern befolkningsforskning är att skaffa material om de mest olika evolutionära situationerna i naturliga populationer, i synnerhet,

Från författarens bok

Kapitel A. Analoga tabeller av den genetiska koden (XIII) Den första som försökte effektivisera tabellen för den genetiska koden och bygga den på en rationell grund var vår enastående vetenskapsman, Yuri Borisovich Rumer. Han var fysiker, elev till Max Born, kände Albert Einstein väl,

Från författarens bok

Kapitel B. Baryon Digitalisering av den genetiska koden (xiv)

Enligt den kemiska organisationen av materialet av ärftlighet och variabilitet skiljer sig eukaryota och prokaryota celler inte i grunden från varandra. Deras genetiska material representeras av DNA. Gemensamt för dem är principen att registrera genetisk information, samt den genetiska koden. Samma aminosyror är krypterade i pro- och eukaryoter med samma kodon. Användningen av ärftlig information lagrad i DNA sker i princip på samma sätt i dessa typer av celler. Vissa funktioner i organisationen av ärftligt material, som skiljer eukaryota celler från prokaryota, orsakar dock skillnader i användningen av deras genetiska information.

Det ärftliga materialet i en prokaryot cell finns huvudsakligen i en enda cirkulär DNA-molekyl.

Det ärftliga materialet hos eukaryoter är större i volym än hos prokaryoter. Den ligger huvudsakligen i kromosomer som är separerade från cytoplasman av kärnhöljet.

Det finns betydande skillnader i den molekylära organisationen av gener i eukaryota celler. De flesta av dem har kodningssekvenser exoner avbröts intron platser som inte används i syntesen av tRNA, rRNA eller peptider. Dessa regioner avlägsnas från det primära transkriberade RNA:t, och därför sker användningen av genetisk information i en eukaryot cell något annorlunda. I en prokaryotisk cell, där det ärftliga materialet och apparaten för proteinbiosyntes inte är rumsligt separerade, sker transkription och translation nästan samtidigt. I en eukaryot cell är dessa två stadier inte bara rumsligt åtskilda av kärnhöljet, utan de separeras också i tid av processerna för mRNA-mognad, från vilka oinformativa sekvenser måste avlägsnas.

Kemisk organisation av det genetiska materialet.

gennivå.

Den elementära funktionella enheten i den genetiska apparaten, som bestämmer möjligheten att utveckla en speciell egenskap hos en cell eller organism av en given art, är gen(ärftlig fyndighet, enligt G. Mendel). Genom att överföra gener i en serie generationer av celler eller organismer uppnås materiell kontinuitet - nedärvning av föräldraegenskaper från ättlingar.

Under tecken förstå enheten morfologiska, fysiologiska, biokemiska, immunologiska, kliniska och någon annan diskrethet hos organismer (celler), dvs. en separat egenskap eller egendom genom vilken de skiljer sig från varandra.

kromosomnivå.

Generna från eukaryota celler är fördelade längs kromosomerna och bildar den KROMOSOMALA organisationsnivån för det ärftliga materialet. Denna nivå av organisation fungerar som ett nödvändigt villkor för kopplingen av gener och omfördelningen av föräldragener i avkomma under sexuell reproduktion (överkorsning).

Kromosomer- nukleoproteinstrukturer i kärnan i en eukaryot cell, i vilka det mesta av den ärftliga informationen är koncentrerad och som är utformade för dess lagring, implementering och överföring.

genomisk nivå.

Genom - hela uppsättningen av ärftligt material som finns i den haploida uppsättningen kromosomer av celler i en given typ av organism. Genomet är artspecifikt, eftersom det är den nödvändiga uppsättningen gener som säkerställer bildandet av artegenskaper hos organismer under deras normala ontogenes.

Genens struktur.

Studier som syftar till att klargöra den kemiska naturen hos ärftligt material har ovedersägligt visat att det materiella substratet för ärftlighet och variation är nukleinsyror, som upptäcktes av F. Miescher (1868) i puscellers kärnor. Nukleinsyror är makromolekyler, dvs. har hög molekylvikt. Dessa är polymerer som är uppbyggda av monomerer. nukleotider inklusive tre komponenter: socker(pentos), fosfat och kvävehaltig bas(purin eller pyrimidin). En kvävehaltig bas (adenin, guanin, cytosin, tymin eller uracil) är fäst vid den första kolatomen i C-1'-pentosmolekylen, och ett fosfat är fäst vid den femte kolatomen C-5' med hjälp av en eterbindning; den tredje kolatomen C-3' har alltid en hydroxylgrupp - OH.

Kopplingen av nukleotider till en nukleinsyramakromolekyl sker genom interaktionen av fosfatet från en nukleotid med hydroxylen i en annan så att mellan dem upprättas fosfodiesterbindning. Resultatet är en polynukleotidkedja. Kedjans ryggrad består av alternerande fosfat- och sockermolekyler. En av de kvävehaltiga baserna som listas ovan är fäst vid pentosmolekylerna i C-1'-positionen.

DNA-struktur, egenskaper och funktioner.

DNA består av nukleotider, som inkluderar socker - deoxiribos, fosfat och en av de kvävehaltiga baserna - adenin, guanin, tymin, cytosin. DNA-molekyler inkluderar två polynukleotidkedjor kopplade samman på ett visst sätt. Watson och Crick föreslog att dessa kedjor är förbundna med varandra genom vätebindningar mellan deras kvävehaltiga baser enligt komplementaritetsprincipen. Adenin i en kedja är förbundet med två vätebindningar med tymin i en annan kedja, och tre vätebindningar bildas mellan guanin och cytosin i olika kedjor. En sådan koppling av kvävehaltiga baser ger en stark koppling mellan de två kedjorna och upprätthåller ett lika stort avstånd mellan dem genomgående. En annan viktig egenskap hos två polynukleotidkedjor i en DNA-molekyl är deras antiparallellism: 5-änden av en kedja är ansluten till 3-änden av den andra och vice versa. Röntgendiffraktionsdata visade att en DNA-molekyl, bestående av två kedjor, bildar en spiral vriden runt sin axel. Helixdiameter 2 nm, stigningslängd 3,4 nm. Varje tur innehåller 10 par nukleotider. Den där. i den strukturella organisationen av DNA-molekylen kan man särskilja den primära strukturen - en polynukleotidkedja, den sekundära - två komplementära och antiparallella kedjor och den tertiära

Strukturen är en tredimensionell spiral.

DNA är kapabelt att självkopiera - replikering. I replikationsprocessen syntetiseras en komplementär kedja på varje polynukleotidkedja i moder-DNA-molekylen. Som ett resultat bildas två identiska dubbelhelixar från en DNA-dubbelhelix. Ett sådant sätt att fördubbla molekyler, där varje dottermolekyl har en förälder och en nysyntetiserad kedja, kallas semi-konservativ. För att replikation ska ske måste moderns DNA separeras från varandra för att bli mallar på vilka komplementära strängar av dottermolekyler kommer att syntetiseras. Med hjälp av helikasenzymet lindas den dubbla helixen av DNA i separata zoner upp. De resulterande enkelsträngade regionerna är bundna av speciella destabiliserande proteiner. Molekylerna i dessa proteiner radas upp längs polynukleotidkedjorna, sträcker ut deras ryggrad och gör kvävehaltiga baser tillgängliga för bindning till komplementära nukleotider. Områden med divergens av polynukleotidkedjor i replikationszoner kallas replikationsgafflar. I varje sådan region, med deltagande av DNA-polymerasenzymet, syntetiseras DNA från två nya dottermolekyler. Under syntesprocessen rör sig replikeringsgaffeln längs den överordnade helixen och fångar alla nya zoner. Slutresultatet av replikation är bildandet av två DNA-molekyler vars nukleotidsekvens är identisk med den för moder-DNA-dubbelhelixen,