Где находится днк у растений: ДНК. Основные понятия.

Что такое ДНК, полезная информация

Главная

Генетические исследования

ДНК

ДНК (сокращение от дезоксирибонуклеиновая кислота) – это одна из важнейших для живых существ молекула, в которой содержится вся генетическая информация о них. Если представить, что живое существо – это какой-нибудь сложный прибор, например, магнитофон, то понять, что такое ДНК, можно сравнив его с пленкой, на которой записаны инструкции по созданию магнитофона и его функционированию.

Молекулы ДНК есть в каждой клетке нашего организма, и они хранятся в ядре (существует еще одна внеядерная разновидность ДНК –митохондриальная, она кратко описана в словаре). Если достать ДНК всего лишь из одной клетки и вытянуть, то длина полученной нити составит около двух метров. При этом размеры клеточного ядра не превышают шести микрометров (микрометр – это одна миллионная часть метра). ДНК помещается в ядро за счет того, что она многократно свернута и уложена в компактные тельца – хромосомы. У человека в ядре каждой клетки хранятся 23 пары хромосом – один набор приходит от отца, второй – от матери. Исключением являются половые клетки – яйцеклетка и сперматозоид, которые несут только половину всех хромосом. Такое «сокращение» необходимо, чтобы при слиянии сперматозоида и яйцеклетки образовался бы организм с нормальным набором хромосом.

В каждой клетке есть специальные системы, которые считывают заложенную в ДНК информацию и на ее основе создают новые белки (белки выполняют в клетке огромное число функций – от строительства до регуляции прочтения заложенных в ДНК инструкций). Хранящиеся в ДНК «послания» особым образом закодированы. Код ДНК состоит из четырех «символов», или нуклеотидов. Эти четыре разновидности нуклеотидов обозначаются буквами А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин).

В нитях ДНК нуклеотиды соединены один за другим в длинные цепочки. В итоге закодированная информация выглядит примерно так: ААТГЦГТААГЦЦ… и так далее. Для непосвященного человека подобный набор букв кажется бессмысленным, однако клеточные «шифровальщики» точно знают, как на основе заложенной в ДНК информации синтезировать нужные клетке белки. «Шифровальщики» узнают определенные последовательности нуклеотидов, называемые генами. Каждый ген кодирует один белок. Именно поэтому гены называют элементарными единицами наследственности.

Если спросить человека на улице, что приходит ему в голову, когда он слышит слово «ДНК», то, скорее всего, ответом будет «двойная спираль». У нас пока о двойной спирали не было ни слова. Что же это такое, и почему за ее открытие американские ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине?

Двойная спираль – это пространственная структура, в форме которой существует ДНК. Дело в том, что нити ДНК «не любят» быть поодиночке. У каждой нити есть напарница, с которой они переплетаются на всем своем протяжении. В итоге как раз и образуется двойная спираль. Нити ДНК объединяются в пары не просто так. Во-первых, двойная спираль значительно более стабильна, чем одиночная нить. Во-вторых, сдвоенные цепочки ДНК не путаются, поэтому считывание информации проходит без проблем. В-третьих, вторая цепь необходима в качестве гарантии сохранности информации. Нити ДНК соединяются в пары случайным образом, а, как говорят ученые, по принципу комплементарности. Это означает, что напротив каждого нуклеотида в одной нити всегда находится строго определенный нуклеотид из второй нити. Парой для А всегда выступает Т, а напарником Г является Ц.

Эта особенность ДНК позволяет однозначно восстановить последовательность нити, имея на руках ее комплементарную копию. Если ДНК каким-либо образом повреждается и теряются кусочки одной из нитей, специальные белки заполняют возникшие бреши, используя в качестве матрицы для синтеза новой нити ее напарницу.

Существует еще один критически важный для клетки процесс, который требует существования двойной спирали. Это деление клеток. Перед тем как удвоиться, клетка синтезирует вторую копию всей своей ДНК. Это происходит так: двойные спирали расплетаются, и специальные белки создают новые комплементарные копии к каждой из оставшихся поодиночке нитей. В итоге снова образуются двойные спирали, но их уже вдвое больше, чем было исходно. Когда клетка разделяется надвое, каждая половинка получает по одному полному комплекту ДНК.

Механизмы синтеза новых цепей работают очень точно, однако иногда происходят сбои, и на месте, скажем, нуклеотида А появляется нуклеотид Г. Причем ошибка может произойти не только в одном нуклеотиде: из цепи ДНК могут выпасть (или появиться) сразу несколько «букв». Ошибки размером в один нуклеотид получили название однонуклеотидных полиморфизмов, ошибки большего размера специального названия не имеют и объединяются под термином «мутации» (сюда входят и однонуклеотидные полиморфизмы).

Мутации могут никак не сказываться на работе клетки (например, если они произошли между генами), могут улучшить ее работу, а могут вызвать серьезный сбой. Последнее часто происходит в том случае, если из-за мутаций нарушается синтез того или иного белка. Именно мутации являются причиной многих наследственных заболеваний.

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ • Большая российская энциклопедия

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИ́НОВЫЕ КИС­ЛО́ТЫ (ДНК), нук­леи­но­вые ки­сло­ты, со­дер­жа­щие в ка­че­ст­ве уг­ле­вод­но­го ком­по­нен­та де­зок­си­ри­бо­зу. ДНК – осн. ком­по­нент хро­мо­сом всех жи­вых ор­га­низ­мов, ве­ще­ст­во, из ко­то­ро­го по­строе­ны ге­но­мы всех про- и эу­ка­ри­от, а так­же вне­хро­мо­сом­ные на­следств. эле­мен­ты (плаз­ми­ды) и ге­но­мы мн. ви­ру­сов. В клет­ках про­ка­ри­от ДНК ор­га­ни­зо­ва­на в ви­де ком­пакт­но­го об­ра­зо­ва­ния – нук­леои­да. У эу­ка­ри­от она со­дер­жит­ся в яд­рах кле­ток и в ор­га­нел­лах – ми­то­хон­д­ри­ях и хло­ро­пла­стах. В нук­лео­тид­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти ДНК за­пи­са­на (ко­ди­ро­ва­на) ге­не­тич. ин­фор­ма­ция о всех при­зна­ках ви­да и осо­бен­но­стях ин­ди­ви­дуу­ма. Все осн. ге­не­тич. про­цес­сы – ре­п­ли­ка­ция, транс­крип­ция и ре­ком­би­на­ция свя­за­ны с функ­цио­ни­ро­ва­ни­ем мо­ле­ку­лы ДНК.

Впер­вые ДНК в ви­де ком­плек­сов с бел­ка­ми (де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­про­теи­дов) бы­ла от­кры­та в 1868 И.  Ф. Ми­ше­ром в яд­рах кле­ток гноя и спер­ме рыб. Дол­гое вре­мя счи­та­лось, что ДНК со­дер­жит­ся толь­ко в клет­ках жи­вот­ных, и лишь к сер. 1930-х гг. бы­ло до­ка­за­но (А. Н. Бе­ло­зер­ский), что ДНК – не­пре­мен­ный ком­по­нент ка­ж­дой жи­вой клет­ки. В 1944 амер. мик­ро­био­лог О. Эй­ве­ри с со­труд­ни­ка­ми по­ка­за­ли, что с по­мо­щью ДНК, тща­тель­но очи­щен­ной от всех ос­таль­ных кле­точ­ных ком­по­нен­тов, на­сле­дуе­мый био­ло­гич. при­знак мо­жет быть пе­ре­не­сён из од­ной клет­ки в дру­гую. Тем са­мым бы­ла оп­ре­де­ле­на био­ло­гич. функ­ция ДНК как ве­ще­ст­ва на­след­ст­вен­но­сти.

В кон. 19 – нач. 20 вв. бы­ло ус­та­нов­ле­но, что ДНК пред­став­ля­ют со­бой по­ли­мер­ные мо­ле­ку­лы, мо­но­мер­ны­ми со­став­ляю­щи­ми ко­то­рых слу­жат де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­ти­ды, со­дер­жа­щие ос­тат­ки де­зок­си­ри­бо­зы, фос­фор­ной ки­сло­ты и од­но из че­ты­рёх азо­ти­стых ос­но­ва­ний: пу­ри­но­вых – гуа­ни­на (G) и аде­ни­на (А) и пи­ри­ми­ди­но­вых – ци­то­зи­на (C) и ти­ми­на (Т). В кон. 1940-х – нач. 1950-х гг. в ла­бо­ра­то­рии А. Тод­да бы­ло до­ка­за­но, что един­ст­вен­ным ти­пом меж­нук­лео­тид­ной свя­зи в по­ли­мер­ных це­пях ДНК яв­ля­ет­ся 3’–5′-фос­фо­ди­эфир­ная связь. В это же вре­мя Э. Чар­гафф с со­труд­ни­ка­ми вы­яс­ни­ли осн. за­ко­но­мер­но­сти нук­лео­тид­но­го со­ста­ва ДНК (пра­ви­ла Чар­гаф­фа), наи­бо­лее важ­ная из ко­то­рых – ра­вен­ст­во со­дер­жа­ния ос­тат­ков аде­ни­на и ти­ми­на (А = Т), а так­же гуа­ни­на и ци­то­зи­на (G = C).

Рис. 1. Модель двойной спирали ДНК Уотсона – Крика (М. Б. – малая бороздка; Б. Б. – большая бороздка).

Ос­но­вы­ва­ясь на этих дан­ных, в 1953 Дж. Уот­сон и Ф. Крик рас­шиф­ро­ва­ли рент­ге­но­грам­мы кри­стал­лов ДНК, по­лу­чен­ные в ла­бо­ра­то­ри­ях Р. Франк­лин и М. Уил­кин­са, и сде­ла­ли од­но из вы­даю­щих­ся от­кры­тий совр. ес­те­ст­во­зна­ния. Они ус­та­но­ви­ли, что мо­ле­ку­ла ДНК пред­став­ля­ет со­бой ре­гу­ляр­ную спи­раль, со­стоя­щую из двух по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей (двой­ная спи­раль). Диа­метр спи­ра­ли по­стоя­нен на про­тя­же­нии всей её дли­ны и ра­вен при­мер­но 2 нм. Дли­на вит­ка спи­ра­ли со­став­ля­ет 3,4 нм. На один ви­ток в од­ной це­пи при­хо­дит­ся при­мер­но 10 нук­лео­тид­ных ос­тат­ков, т. е. меж­нук­лео­тид­ное рас­стоя­ние вдоль оси спи­ра­ли рав­но 0,34 нм. Азо­ти­стые ос­но­ва­ния в двой­ной спи­ра­ли ДНК ле­жат в од­ной плос­ко­сти, ко­то­рая прак­ти­че­ски пер­пен­ди­ку­ляр­на её гл. оси. При этом ос­но­ва­ния, при­над­ле­жа­щие раз­ным це­пям и на­хо­дя­щие­ся на­про­тив друг дру­га, об­ра­зу­ют ком­пле­мен­тар­ные па­ры, ста­би­ли­зи­ро­ван­ные во­до­род­ны­ми свя­зя­ми та­ким об­ра­зом, что аде­нин все­гда спа­рен толь­ко с ти­ми­ном, а гуа­нин – с ци­то­зи­ном (па­ры G – C свя­за­ны ме­ж­ду со­бой тре­мя во­до­род­ны­ми свя­зя­ми, а па­ры А – Т лишь дву­мя). Для ста­би­ли­за­ции струк­ту­ры двой­ной спи­ра­ли ДНК важ­ное зна­че­ние име­ют так­же взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду плос­ко­стя­ми со­сед­них ос­но­ва­ний, при­над­ле­жа­щих од­ной и той же це­пи (т.  н. стэ­кинг-взаи­мо­дей­ст­вия, от англ. stack – стог, скла­ды­вать в стог, рас­по­ла­гать один над дру­гим).

Из мо­де­ли двой­ной спи­ра­ли Уот­со­на – Кри­ка пря­мо вы­те­ка­ет прин­цип са­мо­вос­про­из­ве­де­ния (уд­вое­ния, ре­п­ли­ка­ции) мо­ле­ку­лы ДНК (а сле­до­ва­тель­но, и лю­бо­го ге­не­тич. ма­те­риа­ла): ес­ли две ком­пле­мен­тар­ные це­пи ДНК раз­де­лить, а за­тем на ка­ж­дой, как на мат­ри­це, по­стро­ить но­вые, стро­го ком­пле­мен­тар­ные им це­пи, то две до­чер­ние дву­спи­раль­ные мо­ле­ку­лы бу­дут иден­тич­ны ма­те­рин­ской. От­кры­тие это­го прин­ци­па по­зво­ли­ло на мо­ле­ку­ляр­ном уров­не объ­яс­нить яв­ле­ние на­след­ст­вен­но­сти и по­ло­жи­ло на­ча­ло мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии. Прин­цип ком­пле­мен­тар­но­го спа­ри­ва­ния ос­но­ва­ний нук­леи­но­вых ки­слот ле­жит в ос­но­ве всех про­цес­сов пе­ре­да­чи ге­не­тич. ин­фор­ма­ции в клет­ке.

Рис. 2. Комплементарные уотсон-криковские пары в двуспиральной молекуле ДНК. Слева – пара аденин – тимин; справа – пара гуанин – цитозин. Приведены расстояния между атомами, связанными специфическими …

В двой­ной спи­ра­ли ДНК са­ха­ро­фос­фат­ный ос­тов по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей об­ра­щён на­ру­жу, а на по­верх­но­сти спи­ра­ли мож­но вы­де­лить две бо­розд­ки: боль­шую – ши­ри­ной 2,2 нм и ма­лую – ши­ри­ной 1,2 нм. Двой­ная спи­раль ДНК, опи­сан­ная Дж. Уот­со­ном и Ф. Кри­ком, – пра­во­зак­ру­чен­ная, а по­ли­нук­лео­тид­ные це­пи в ней ан­ти­па­рал­лель­ны, т. е. на­прав­ле­ны в про­ти­во­по­лож­ные сто­ро­ны, так что 3′-ко­нец од­ной це­пи рас­по­ла­га­ет­ся на­про­тив 5′-кон­ца дру­гой. Она бы­ла на­зва­на В-фор­мой ДНК.

Ока­за­лось, од­на­ко, что двой­ная спи­раль ДНК ха­рак­те­ри­зу­ет­ся су­ще­ст­вен­ным по­ли­мор­физ­мом и при из­ме­не­нии внеш­них ус­ло­вий мо­жет при­ни­мать про­стран­ст­вен­ную струк­ту­ру (кон­фор­ма­цию), от­лич­ную от уот­сон-кри­ков­ской В-фор­мы. Так, при по­ни­же­нии влаж­но­сти в пре­па­ра­те или, напр., при до­бав­ле­нии спир­та к вод­но­му ра­ст­во­ру ДНК она пе­ре­хо­дит в т.  н. А-фор­му, от­ли­чаю­щую­ся от В-фор­мы ши­ри­ной и глу­би­ной бо­роз­док, уве­ли­че­ни­ем диа­мет­ра спи­ра­ли, сме­ще­ни­ем пар ос­но­ва­ний к пе­ри­фе­рии спи­ра­ли и их за­мет­ным на­кло­ном по от­но­ше­нию к оси спи­ра­ли, а внут­ри неё об­ра­зу­ет­ся по­лость диа­мет­ром 0,4 нм. В ос­но­ве этих струк­тур­ных пре­вра­ще­ний ле­жит из­ме­не­ние кон­фор­ма­ции ос­тат­ка де­зок­си­ри­бо­зы, что, в свою оче­редь, ве­дёт к из­ме­не­нию рас­стоя­ния ме­ж­ду фос­фат­ны­ми груп­па­ми со­сед­них нук­лео­тид­ных ос­тат­ков од­ной це­пи. При вы­со­кой кон­цен­тра­ции со­лей уча­ст­ки двой­ных спи­ра­лей ДНК с че­ре­дую­щи­ми­ся нук­лео­тид­ны­ми по­сле­до­ва­тель­но­стя­ми ти­па мно­го­крат­но по­вто­ряю­ще­го­ся гуа­но­зин-ци­то­зи­но­во­го ди­нук­ле­о­ти­да (GC) из пра­во­зак­ру­чен­ной фор­мы пе­ре­хо­дят в ле­во­зак­ру­чен­ную. У этой фор­мы ДНК ли­ния, со­еди­няю­щая фос­фат­ные груп­пы, че­рез ка­ж­дые две па­ры име­ет из­лом и при­ни­ма­ет зиг­за­го­об­раз­ный вид. Та­кая кон­фор­ма­ция ДНК на­зы­ва­ет­ся Z-фор­мой (от англ. zigzag). Хо­тя по­ли­мор­физм ДНК мо­жет иг­рать су­ще­ст­вен­ную роль в ре­гу­ля­ции ак­тив­но­сти ге­нов, пря­мых дан­ных о на­ли­чии у двой­ной спи­ра­ли ДНК in vivo иных кон­фор­ма­ций, кро­ме В-фор­мы, по­ка нет.

Важ­ным свой­ст­вом двой­ных спи­ра­лей ДНК яв­ля­ет­ся их мик­ро­ге­те­ро­ген­ность, об­на­ру­жи­вае­мая рент­ге­но­ст­рук­тур­ным ана­ли­зом вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния. Она обу­слов­ле­на тон­ки­ми раз­ли­чия­ми в кон­фор­ма­ции нук­лео­тид­ных ос­тат­ков, по­яв­ле­ние ко­то­рых за­ви­сит от по­сле­до­ва­тель­но­сти рас­по­ло­же­ния нук­лео­ти­дов в це­пи, и про­яв­ля­ет­ся в об­ра­зо­ва­нии ха­рак­тер­ных из­ги­бов и из­ло­мов. Та­кие осо­бен­но­сти струк­ту­ры мо­ле­ку­лы ДНК, не­со­мнен­но, долж­ны быть свя­за­ны с её функ­цио­ни­ро­ва­ни­ем.

При на­ли­чии в мо­ле­ку­ле ДНК по­вто­ряю­щих­ся по­сле­до­ва­тель­но­стей (па­лин­дро­мов) мо­гут фор­ми­ро­вать­ся па­ры не толь­ко ме­ж­ду ос­но­ва­ния­ми про­ти­во­по­лож­ных це­пей, но и в пре­де­лах од­ной це­пи, что соз­да­ёт воз­мож­ность об­ра­зо­ва­ния свя­зан­ных во­до­род­ны­ми свя­зя­ми свое­об­раз­ных шпи­лек с пет­ля­ми.

При по­вы­ше­нии темп-ры или рН раст­во­ров ДНК, в при­сут­ст­вии ря­да ор­га­нич. ве­ществ и др. со­еди­не­ний про­ис­хо­дит де­на­ту­ра­ция ДНК – раз­рыв во­до­род­ных свя­зей ме­ж­ду па­ра­ми ос­но­ва­ний и раз­ру­ше­ние ре­гу­ляр­ной струк­ту­ры двой­ной спи­ра­ли, ко­то­рое за­вер­ша­ет­ся пол­ным раз­де­ле­ни­ем це­пей. Бла­го­да­ря коо­пе­ра­тив­но­му ха­рак­те­ру внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ных взаи­мо­дей­ст­вий, ста­би­ли­зи­рую­щих двой­ную спи­раль, этот про­цесс на­по­ми­на­ет фа­зо­вый пе­ре­ход и по­это­му на­зы­ва­ет­ся плав­ле­ни­ем ДНК. В ус­ло­ви­ях, оп­ти­маль­ных для об­ра­зо­ва­ния двой­ной спи­ра­ли, отд. ком­пле­мен­тар­ные це­пи ДНК спо­соб­ны ре­ас­со­ции­ро­вать с вос­ста­нов­ле­ни­ем ис­ход­ной дву­спи­раль­ной струк­ту­ры (ре­на­ту­ра­ция ДНК). Это свой­ст­во ле­жит в ос­но­ве ме­то­да мо­ле­ку­ляр­ной гиб­ри­ди­за­ции нук­леи­но­вых ки­слот, ко­то­рый по­зво­ля­ет вы­яв­лять сте­пень сход­ст­ва нук­лео­тид­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей мо­ле­кул ДНК или ДНК и РНК, осо­бен­но­сти их ор­га­ни­за­ции, в т.  ч. на­ли­чие и чис­ло по­вто­ров (см. Нук­лео­тид­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти).

По­сле­до­ва­тель­ность че­ре­до­ва­ния нук­лео­тид­ных ос­тат­ков в ДНК (пер­вич­ная струк­ту­ра) у раз­ных ор­га­низ­мов стро­го ин­ди­ви­ду­аль­на и слу­жит важ­ней­шей ха­рак­те­ри­сти­кой, от­ли­чаю­щей од­ну мо­ле­ку­лу ДНК от дру­гой и со­от­вет­ст­вен­но один ген или один ре­гу­ля­тор­ный ге­не­тич. эле­мент от дру­го­го. Раз­ме­ры мо­ле­кул ДНК варь­и­ру­ют от не­сколь­ких ты­сяч пар нук­лео­ти­дов (т. п. н.) у плаз­мид и не­ко­то­рых ви­ру­сов до со­тен т. п. н. у выс­ших ор­га­низ­мов. Со­дер­жа­ние ДНК в раз­ных ор­га­низ­мах так­же раз­лич­но и по чис­лу об­ра­зую­щих её нук­лео­ти­дов со­став­ля­ет от 5·10⁶ у бак­те­рий до 2·10¹¹ пар нук­лео­ти­дов (п. н.) у выс­ших рас­те­ний (в рас­чё­те на га­п­ло­ид­ный ге­ном). Эти ги­гант­ские мо­ле­ку­лы чрез­вы­чай­но ком­пакт­но упа­ко­ва­ны в клет­ках или ви­ру­сах. В про­ка­рио­тич. нук­лео­ти­де та­кая ук­лад­ка под­дер­жи­ва­ет­ся не­боль­шим ко­ли­че­ст­вом спец. бел­ков и, ве­ро­ят­но, ри­бо­нук­леи­но­вы­ми ки­сло­та­ми (РНК). Опи­са­но неск. уров­ней упа­ков­ки эу­ка­рио­ти­че­ской ДНК с по­мо­щью уни­вер­саль­но­го на­бо­ра гис­то­нов и не­ко­то­рых не­гис­то­но­вых бел­ков, при­во­дя­щих к об­ра­зо­ва­нию осн. ком­по­нен­та хро­мо­со­мы – хро­ма­ти­на. Напр., дли­на ДНК са­мой боль­шой хро­мо­со­мы че­ло­ве­ка рав­на 8 см, но в хро­мо­со­ме (в со­стоя­нии ми­то­за) она не пре­вы­ша­ет 5 мкм.

В яд­рах эу­ка­ри­от (за ис­клю­че­ни­ем га­мет) ДНК пред­став­ле­на дву­мя ко­пия­ми. Ка­ж­дая про- и эу­ка­рио­ти­че­ская хро­мо­со­ма со­дер­жит толь­ко од­ну мо­ле­ку­лу дву­спи­раль­ной ДНК. Ге­ном по­дав­ляю­ще­го боль­шин­ст­ва ви­ру­сов так­же пред­став­лен дву­спи­раль­ной ДНК, и лишь не­ко­то­рые фа­ги в ка­че­ст­ве ге­ном­ной со­дер­жат од­но­тя­же­вую коль­це­вую или ли­ней­ную мо­ле­ку­лу ДНК.

В коль­цо замк­ну­ты мо­ле­ку­лы дву­ни­те­вых ДНК про­ка­рио­тич. хро­мо­со­мы, плаз­мид и мн. ви­ру­сов, ДНК ми­то­хон­д­рий и хло­ро­пла­стов. При этом ес­ли цепь ко­ва­лент­но-не­пре­рыв­на (т. е. все фос­фо­ди­эфир­ные свя­зи замк­ну­ты), то цик­лич. ДНК мо­гут на­хо­дить­ся в сверх­спи­ра­ли­зо­ван­ной фор­ме, ко­гда ни­ти двой­ной спи­ра­ли мно­го­крат­но за­це­п­ле­ны друг с дру­гом. В клет­ке сверх­вит­ки соз­да­ют­ся и раз­ру­ша­ют­ся фер­мен­та­ми то­пои­зо­ме­ра­за­ми. Цик­ли­че­ская сверх­спи­ра­ли­зо­ван­ная ДНК об­ла­да­ет оп­ре­де­лён­ным за­па­сом энер­гии по срав­не­нию с её ли­ней­ной фор­мой, по­это­му об­ра­зо­ва­ние сверх­вит­ков важ­но для функ­цио­ни­ро­ва­ния ДНК (напр., по­зво­ля­ет раз­ре­шать то­по­ло­гич. труд­но­сти, воз­ни­каю­щие при ре­п­ли­ка­ции). Кро­ме то­го, бла­го­да­ря на­ли­чию сверх­вит­ков мо­гут об­ра­зо­вы­вать­ся не­обыч­ные струк­ту­ры в её мак­ро­мо­ле­ку­ле: кре­сто­об­раз­ные струк­ту­ры (в па­лин­дро­мах), Z-фор­ма, три­ни­те­вые уча­ст­ки, или т. н. Н-фор­ма (в го­мо­пу­рин-го­мо­пи­ри­ми­ди­но­вых бло­ках).

Био­син­тез ДНК (ре­п­ли­ка­ция) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пу­тём мат­рич­но­го син­те­за при уча­стии фер­мен­тов ДНК-по­ли­ме­раз со­вме­ст­но с боль­шой груп­пой вспо­мо­гат. бел­ков и на­хо­дит­ся под кон­тро­лем спец. ре­гу­ля­тор­ных сис­тем клет­ки. In vitro лю­бой уча­сток ДНК мо­жет быть ам­пли­фи­ци­ро­ван с по­мо­щью по­ли­ме­раз­ной цеп­ной ре­ак­ции. В хо­де ре­п­ли­ка­ции in vivo, а так­же по­сле её окон­ча­ния про­ис­хо­дит ме­ти­ли­ро­ва­ние не­боль­шо­го чис­ла оп­ре­де­лён­ных ос­тат­ков ци­то­зи­на с об­ра­зо­ва­ни­ем 5-ме­тил­ци­то­зи­на, пред­став­ляю­щее со­бой спе­ци­фич. про­цесс мо­ди­фи­ка­ции ДНК, не­по­сред­ст­вен­но свя­зан­ный с её по­сле­дую­щим функ­цио­ни­ро­ва­ни­ем. Ме­ти­ли­ро­ва­ние и де­ме­ти­ли­ро­ва­ние ДНК иг­ра­ют важ­ную роль в про­цес­сах эм­брио- и га­ме­то­ге­не­за.

В хо­де жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов их ДНК под влия­ни­ем внеш­них фак­то­ров мо­жет под­вер­гать­ся разл. по­вре­ж­даю­щим воз­дей­ст­ви­ям, со­про­во­ж­даю­щим­ся на­ру­ше­ни­ем струк­ту­ры азо­ти­стых ос­но­ва­ний. В хо­де эво­лю­ции клет­ки вы­ра­бо­та­ли за­щит­ные ме­ха­низ­мы, обес­пе­чи­ваю­щие вос­ста­нов­ле­ние ис­ход­ной струк­ту­ры – ре­па­ра­цию ДНК.

В клет­ке ДНК рас­ще­п­ля­ет­ся спе­ци­фич. фер­мен­та­ми – де­зок­си­ри­бо­нук­леа­за­ми. Сре­ди них наи­бо­лее из­вест­ны эн­до­нук­леа­зы ре­ст­рик­ции, за­щи­щаю­щие клет­ку от чу­же­род­ной ДНК и ши­ро­ко при­ме­няе­мые в ге­не­тич. ин­же­не­рии.

В нач. 1970-х гг. Ф. Сен­ге­ром и др. бы­ли раз­ра­бо­та­ны эф­фек­тив­ные ме­то­ды оп­ре­де­ле­ния по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов в мо­ле­ку­лах ДНК (см. Се­к­ве­ни­ро­ва­ние). В кон. 20 в. на ос­но­ве этих ме­то­дов соз­да­на мощ­ная ав­то­ма­ти­зир. тех­но­ло­гия се­к­ве­ни­ро­ва­ния ДНК, с по­мо­щью ко­то­рой оп­ре­де­ле­на пер­вич­ная струк­ту­ра ДНК пол­ных ге­но­мов мн. ви­ру­сов, ми­то­хон­д­рий, хло­ро­пла­стов, бак­те­рий, рас­те­ний и жи­вот­ных. К 2004 бы­ло за­вер­ше­но оп­ре­де­ле­ние нук­лео­тид­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти прак­ти­че­ски все­го ге­но­ма че­ло­ве­ка (бо­лее трёх млрд. п. н.). Эти ра­бо­ты сти­му­ли­ро­ва­ли раз­ви­тие био­ин­фор­ма­ти­ки и по­ло­жи­ли на­ча­ло но­во­му раз­де­лу мо­ле­ку­ляр­ной ге­не­ти­ки – ге­но­ми­ке.

Ин­фор­ма­ция о нук­лео­тид­ных по­сле­до­ва­тель­но­стях ДНК ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся при соз­да­нии ре­ком­би­нант­ных ДНК – мо­ле­кул с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми, вклю­чаю­щих струк­тур­ные эле­мен­ты ДНК раз­ных ор­га­низ­мов (см. Ге­не­ти­че­ская ин­же­не­рия), а так­же при кон­ст­руи­ро­ва­нии но­вых бел­ков (см. Бел­ко­вая ин­же­не­рия). Зна­ние пер­вич­ной струк­ту­ры ДНК важ­но при ана­ли­зе на­следств. и он­ко­ло­гич. за­бо­ле­ва­ний, иден­ти­фи­ка­ции лич­но­сти (см. ДНК-ти­пи­ро­ва­ние), при ам­пли­фи­ка­ции и вы­де­ле­нии оп­ре­де­лён­ных ге­нов, ре­гу­ля­тор­ных эле­мен­тов и др. функ­цио­наль­но важ­ных уча­ст­ков ДНК.

Жизнь растений: ДНК в растениях

ДНК — это наследственный или генетический материал, присутствующий во всех клетках и несущий информацию о структуре и функциях живых существ.

В царстве растений ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, содержится в мембраносвязанных клеточных структурах ядра, митохондрий и хлоропластов. ДНК обладает рядом свойств, которые уникальны среди химических молекул.

Он универсален для всех живых организмов, имеет одинаковую структуру и функцию в каждом. Он способен воспроизводить себя в процессе, известном как самовоспроизведение. Это свойство обеспечивает деление клеток и, следовательно, непрерывность, рост и восстановление.

Он несет в своей структуре генетический код или набор инструкций для клеточного развития и поддержания. Наконец, он претерпевает изменения в химической структуре как из-за внешних, так и из-за внутренних причин, называемых мутациями, которые способствуют эволюции, разнообразию и болезням.

Химическая структура

ДНК представляет собой простую молекулу, состоящую из четырех нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит пятиуглеродный сахар (дезоксирибозу), фосфат и одно из четырех возможных азотистых оснований: пурины с двойным кольцом аденина (А) и гуанина (G) и пиримидины с одним кольцом тимина (Т) и цитозин (С).

Большинство свойств ДНК связаны с уникальными связями, образующимися между нуклеотидами: компоненты сахарофосфата выстраиваются линейно, а кольца азота соединяются перпендикулярно.

Кольца азота дополнительно связаны очень специфическим образом: A всегда соединяется с T, а Galways соединяется с C. Таким образом, молекула ДНК выглядит как лестница, стороны которой представляют собой сахаро-фосфат; ступени, пары AT и GC.

Дальнейшее склеивание и складывание приводит к образованию структуры в форме спиральной лестницы, известной как двойная спираль. Эта двойная спираль компактно упакована в похожие на веревки структуры, известные как хромосомы, которые видны под световым микроскопом до и во время клеточного деления.

В ходе повседневной жизни клетки ДНК выглядит как неразличимая темная масса, называемая хроматином (включительный термин, относящийся к ДНК и белкам, которые с ней связываются, расположенным в ядрах эукариотических клеток).

Модель Уотсона и Крика

В середине 1800-х годов Грегор Мендель, австрийский монах, постулировал существование генетического материала. Он открыл законы наследственности, используя горох и другие растения в своем саду, чтобы изучить наследование таких признаков, как окраска цветов.

Прошло почти семьдесят лет, прежде чем ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в 1953 году предложили двойную спираль как наиболее правдоподобную модель для каждого из уникальных свойств молекулы. Вскоре после этого их модель была проверена методами рентгеновской дифракции.

Несколько исследователей, работавших в Колумбийском университете и других местах в Соединенных Штатах, проложили путь до Уотсона и Крика, открыв химический состав этого генетического материала и спаривание азотистых оснований: количество аденина всегда равнялось количеству тимина и то же самое с гуанином и цитозином.

Модель Уотсона и Крика также предполагала, что две стороны или нити ДНК идут в противоположных направлениях: то есть фосфатный сахар одной стороны направлен вверх, а другой нити — вниз.

Это свойство известно как антипараллельное соединение. Модель Уотсона и Крика может легко объяснить, как ДНК реплицируется во время клеточного деления и как генетическая информация кодируется в ее структуре.

Самовоспроизведение

Самовоспроизведение, обеспечивающее непрерывность поколений, а также рост и восстановление отдельных организмов, происходит во время деления клеток. ДНК должна быть способна производить точные копии самой себя. Молекула специально разработана для этого: ряд ферментативно-опосредованных шагов позволяет двойной спирали раскручиваться или расстегиваться, как молния, разделяющая две нити.

Далее нуклеотиды из переваренной пищи попадают сначала в клетку, а затем в ядро. Они связываются с соответствующим нуклеотидом: A с T и G с C. Процесс продолжается до тех пор, пока не сформируются две новые двухцепочечные молекулы ДНК, каждая из которых является копией другой и каждая входит в новые клетки, возникшие в результате клеточного деления.

Синтез белка

Информация, закодированная в ДНК, обеспечивает всестороннее развитие и поддержание клетки и организма. Язык этого кода заключается в линейном чтении соседних нуклеотидов на каждой цепи. Каждые три нуклеотида определяют или соответствуют определенной аминокислоте, отдельной единице белка.

Вторая молекула, рибонуклеиновая кислота (РНК), копирует молекулярную структуру ДНК и переносит информацию из ядра в окружающую цитоплазму клетки, где аминокислоты собираются в определенном порядке для производства белка.

Модификации этих белков после производства, такие как добавление сахаров, жиров или металлов, обеспечивают широкий спектр функционального и структурного разнообразия. ДНК растений кодирует множество веществ, которые являются уникальными для растений. Эти продукты поддерживают не только сами растения, но и целые экологические ниши, а также человечество.

Митохондриальная и хлоропластная ДНК

Второй, независимо функционирующий набор ДНК существует в двух органеллах вне ядра клетки, митохондриях и хлоропластах. Именно в митохондриях, источниках энергии клеток, углеводы, жиры и белки расщепляются до исходных элементов с высвобождением запасенной энергии химических связей в виде тепла (калорий).

Вторая область, в которой ДНК находится вне ядра, находится в хлоропласте, структуре, уникальной для растительных клеток. В хлоропластах происходит фотосинтез — процесс, с помощью которого растения способны преобразовывать углекислый газ, воду и солнечную энергию для производства сахаров, а затем жиров и белков с выделением кислорода. Этот критический процесс, осуществляемый растениями, поддерживает большую часть жизни на Земле.

Как митохондриальная, так и хлоропластная ДНК реплицируются отдельно от ядерной ДНК во время клеточного деления. Предполагается, что эти органеллы когда-то, миллиарды лет назад, могли быть независимо живущими организмами, которые были включены в другие клетки, чтобы сформировать эукариотические клетки, которые составляют небактериальные формы жизни, такие как грибы, простейшие, растения и животные.

Белки растений

В ДНК растений закодирован большой набор белков, уникальных для растений. Группа, которая привлекла большое внимание, — это так называемые фитохимические вещества, вещества с мощными преимуществами для здоровья. Хорошо изученных классов мало, включая флавоноиды, фитостеролы, каротиноиды, индолы, кумарины, сероорганические соединения, терпены, сапонины, лигнаны и изотиоцианаты.

Каждая группа содержит определенные белки, которые являются одновременно антиоксидантами и антиканцерогенами, защищающими клетки животных от агентов, вызывающих рак. Каротиноиды, такие как бета-каротин, содержащиеся в оранжевых и желтых фруктах и ​​овощах, и ликопины, содержащиеся в помидорах, защищают животных от болезней сердца и инсульта, а также от рака.

Фитостеролы, подобные тем, что содержатся в соевых бобах, являются эстрогеноподобными соединениями, которые имитируют женские гормоны. Они защищают женские органы от рака, а также снижают уровень холестерина.

Гормоны растений

Большие сегменты ДНК растений предназначены для кодирования специализированных растительных гормонов. Гормоны — это вещества, которые вырабатываются одной группой клеток, циркулируют в другом месте и влияют на ДНК клеток-мишеней. У растений эти гормоны контролируют деление, рост и дифференцировку клеток.

Существует пять хорошо описанных классов растительных гормонов: ауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен и абсцизовая кислота. Среди функций ауксинов — обеспечение фототропизма, свойства, которое заставляет растения наклоняться к свету.

Вырабатываемые корнями ауксины перемещаются к стеблям, заставляя клетки удлиняться на темной стороне растительной ткани. Этилен представляет собой газообразное вещество, которое способствует созреванию плодов и заставляет их опадать с растения. Абсцизовая кислота способствует старению и опадению листьев.
Генетически модифицированные растения

Поскольку с растениями легко манипулировать, растительная ДНК уступает только бактериальной ДНК в качестве основного экспериментального объекта для биоинженеров. Прямая модификация ДНК путем добавления или удаления определенного сегмента генов, кодирующих определенные признаки, находится в центре внимания биоинженерии и биотехнологии.

Поскольку растения являются основным источником пищи для людей и скота, были разработаны генетически модифицированные продукты, которые противостоят насекомым, бактериям, вирусам и другим вредителям и снижают потребность во внешних пестицидах.

Генетически модифицированные растительные культуры предназначены для улучшения различных характеристик, от приятного внешнего вида и вкуса до более быстрого роста или более медленного созревания до отсутствия семян.

Введение генов из других царств, таких как царство животных, в ДНК растений позволяет ученым разрабатывать будущие культуры, которые могут содержать человеческие вакцины, человеческие гормоны и другие фармацевтические продукты.

Помидор был первым биоинженерным продуктом, одобренным на федеральном уровне, который продавался в Соединенных Штатах.