Что такое днк и рнк дать расшифровку
Что такое ДНК и РНК человека простыми словами
Что такое ДНК и РНК человека простыми словами: Pixabay
В клетках всех живых организмов содержится структура, название которой не выговорить с первого раза. Дезоксирибонуклеиновая кислота содержит генетический код и информацию о РНК и белки. Можно ли назвать ДНК главной структурой в организме и зачем ей сопровождение в виде РНК?
Что такое ДНК человека?
Аббревиатуру ДНК используют для обозначения молекулы под названием дезоксирибонуклеиновая кислота. Она состоит из повторяющихся блоков, называемых нуклеотидами (органические соединения), поэтому на картинке выглядит как спираль с поперечными полосками.
В этих частичках содержится генетический код, который определяет характеристики человека — телосложение, рост, цвет глаз, волос. У каждого человека уникальная ДНК. Она идентична только у однояйцевых близнецов. Своя ДНК есть у животных и растений.
Какая структура ДНК человека? Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из четырех видов нуклеотидов:
Эти блоки склеиваются между собой по определенным правилам: аденин может связываться только с тимином, а цитозин — только с гуанином. Притяжение между нуклеотидами связывает две нити, входящие в состав ДНК. Таким образом, по одной части цепи молекулы всегда можно восстановить вторую: напротив аденина находится тимин, напротив гуанина — цитозин. Такое взаимосоответствие называется комплементарностью.
Что такое ДНК человека: Pixabay
Именно так кодируется информация обо всех признаках организма. От комбинации нуклеотидов зависит, как будет выглядеть человек. Совокупность генетического материала называется геномом человека. Хранение, реализация и передача наследственной информации — задача хромосомы (структура в клеточном ядре).
ДНК как химическое вещество было открыто Фридрихом Мишеров в 1869 году, как указано в статье Петтера Портина. Ученые научились расшифровывать генетическую информацию только в конце ХХ века. Затем ученые сумели извлечь из хромосомы ДНК, разрезать ее на части и сшить произвольным образом, используя ферменты.
Так зародилась генная инженерия, началось производство новых организмов со встроенными чужими генами — ГМО (генетически модифицированный организм). Что касается безопасности продуктов с ГМО, то мнения ученых расходятся, как объясняет Брунильда Назарио из WebMD.
Что такое РНК человека?
РНК — рибонуклеиновая кислота, одна из трех молекул, содержащихся в клеточном ядре. Она участвует в кодировании и выражении генов. Состоит она из длинной цепи, звенья которой называются нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из рибозы, азотистого основания и фосфатной группы. Генетическая информация зашифрована в последовательности нуклеотидов.
Что такое РНК человека: Pixabay
РНК синтезируется в клетках всех живых организмов. Они выполняют функцию трансляции генетической информации в белки, а также дополнительные задачи — транспортировка аминокислот в рибосомы, синтез белка и другие. Поддержку стабильности генома в процессе передачи и синтеза обеспечивают РНК-связывающие белки.
Что общего у ДНК и РНК человека? Обе структуры — это большие молекулы, состоящие из нуклеотидов. В них содержится генетическая информация. Их функции взаимосвязаны. ДНК передает генетическую информацию в цитоплазму (внутреннюю среду) клетки, где при участии РНК происходит синтез белка.
Между ДНК и РНК есть несколько отличий:
ДНК и РНК — нуклеиновые кислоты, сходные по составу, но различные по функциям. Первая структура отвечает за хранение наследственной информации, вторая — за кодирование информации и передачу информации к месту синтеза белка.
Внимание! Материал носит лишь ознакомительный характер. Не следует прибегать к описанным в нем методам лечения без предварительной консультации с врачом.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Что такое ДНК и РНК человека простыми словами. Почему ДНК – основа живих организмов?
Хотите узнать простыми словами что такое ДНК человека? Почему ДНК – это настолько важно? Узнайте больше о ДНК, ее структуре и функциях.
Что такое ДНК ? Почему это важно?
Если коротко, то ДНК – это основа живых оргинизмов, она содержит инструкции, необходимые для жизни. Код в нашей ДНК содержит указания о том, как выработать белки, жизненно важные для нашего роста, развития и общего здоровья.
ДНК означает дезоксирибонуклеинову кислоту. Она состоит из единиц биологических строительных блоков под названием нуклеотиды.
ДНК является жизненно важной молекулой не только для людей, но и для большинства других организмов. ДНК содержит наследственный материал и наши гены – именно это делает нас уникальными.
Но что ДНК на самом деле делать? Читайте дальше, чтобы узнать больше о структуре ДНК, что она делает, и почему она так важна.
Что такое геном ?
Полный наследственный набор ваших ДНК называется вашим геномом. Он содержит 3 миллиарда основ, 20000 генов и 23 пары хромосом!
Половину ДНК вы наследуете от отца, а половину – от матери. Эти ДНК поступают в соответствии со спермы и яйцеклетки.
Гены на самом деле составляют очень малую часть вашего генома – лишь 1 процент. Остальные 99 процентов помогают регулировать такие вещи, как и в каком количестве производятся белки.
Повреждение ДНК и мутации
ДНК-код склонен к повреждению. На самом деле, по оценкам, ежедневно в каждой из наших клеток происходят десятки тысяч повреждений ДНК. Повреждение может произойти через такие вещи, как ошибки в репликации ДНК, свободные радикалы и влияние УФ-излучения.
Но не бойтесь! Ваши клетки имеют специализированные белки, которые способны обнаруживать и восстанавливать много случаев повреждения ДНК. На самом деле существует не менее пяти основных путей восстановления ДНК.
Мутации – это изменения в последовательности ДНК. Они иногда могут быть плохими. Это объясняется тем, что изменение кода ДНК может повлиять на дальнейшее способ выработки белка. Если белок не работает должным образом, может возникнуть заболевание.
Мутации также могут привести к развитию рака. Например, если гены, кодирующие белки, участвующие в клеточном росте, мутируют, клетки могут расти и делиться вне контроля. Некоторые мутации, вызывающие рак, могут быть унаследованы, а другие могут быть получены путем воздействия канцерогенов, таких как УФ-излучение, химические вещества или сигаретный дым.
Но не все мутации плохие. Некоторые безвредны, а другие способствуют росту человеческого разнообразия как вида.
ДНК и старение
Считается, что непоправимое повреждение ДНК может накапливаться с возрастом, вызывая процесс старения. Какие факторы могут влиять на это?
То, что может сыграть большую роль в повреждении ДНК, связанном со старением, – это повреждение через свободные радикалы. Однако этого механизма повреждения может быть недостаточно, чтобы объяснить процесс старения. Также может быть задействовано несколько факторов.
Одна из причин того, почему повреждения ДНК накапливается с возрастом, основывается на эволюции. Повреждение ДНК восстанавливаются лучше, когда мы в репродуктивном возрасте и имеем детей. После того, как мы прошли наши пиковые репродуктивные годы, процесс ремонта закономерно снижается.
Другая часть ДНК, которая может иметь отношение к старению – это теломеры. Теломеры – это участки повторяющихся последовательностей ДНК, находящихся на концах ваших хромосом. Они помогают защитить ДНК от повреждения, но также укорачиваются с каждым раундом репликации ДНК.
Укорочение теломер было связано с процессом старения. Также было установлено, что некоторые факторы жизни, такие как ожирение, влияние сигаретного дыма и психологический стресс, могут сожействовать укорочению теломер.
Возможно, выбор здорового образа жизни, как и поддержка здорового веса, управления стрессом и отказ от курения, может замедлить сокращение теломер? Этот вопрос продолжает интересовать исследователей.
Из чего состоит ДНК?
Молекула ДНК состоит из нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит три различные компоненты – сахар, фосфорную группу и азотную основу.
Сахар в ДНК называется 2′-дезоксирибозой. Эти молекулы сахара чередуются с фосфатными группами, составляя «основу» цепи ДНК.
Каждый сахар в нуклеотиде имеет присоединенную к нему азотную основу. Существует четыре различных типа азотных основ, найденных в ДНК. Они включают:
Как выглядит ДНК?
Две нити ДНК образуют 3-D структуру, которую называют двойной спиралью. Это похоже на лестницу, скрученные в спираль.
Дополнительно стоит отметить, что ДНК в ядре эукариотических клеток линейная, то есть концы каждой цепи свободны. В прокариотической клетке ДНК образует круговую структуру.
Что делает ДНК?
ДНК помогает вашему организму расти
ДНК содержит указания, необходимые организму – например, вам, птице или растению – для роста, развития и размножения. Эти инструкции хранятся в последовательности пар нуклеотидных оснований.
Ваши клетки читают этот код из трех оснований, чтобы генерировать белки, необходимые для роста и выживания. Последовательность ДНК, в которой содержится информация для получения белка, называется геном.
Каждая группа из трех основ отвечает специфическим аминокислотам, которые являются строительными блоками белков. Например, групы оснований TGG задают аминокислоту триптофан, тогда как основные групы GGC задают аминокислоту глицин.
Некоторые комбинации, такие как TAA, TAG и TGA, также указывают на конец последовательности белка. Это говорит клетке не добавлять больше белка до аминокислот.
Белки состоят из различных комбинаций аминокислот. Если их разместить вместе в правильном порядке, каждый белок имеет уникальную структуру и функционирование внутри вашего тела.
Как перейти от кода ДНК к белку? Что такое РНК?
Пока мы узнали, что ДНК содержит код, который дает клетке информацию о том, как производить белки. Но что происходит между ними? Проще говоря, это происходит с помощью двухэтапного процесса:
Во-первых, две цепи ДНК разделились. Затем специальные белки внутри ядра считывают пары оснований на цепочке ДНК, чтобы создать промежуточную молекулу мессенджера.
Этот процесс называется транскрипцией, а созданная молекула называется месенджерным РНК (мРНК). мРНК – это еще один тип нуклеиновых кислот, и он делает именно то, что следует из названия. Он путешествует вне ядра, служа сообщением для клеточной машины, строит белки.
На втором этапе специализированные компоненты клетки читают сообщения мРНК одновременно трех пар оснований и работают над сбором белка, аминокислоты за аминокислотой. Этот процесс называется переводом.
Где находится ДНК?
Ответ на этот вопрос может зависеть от типа организма, о котором вы говорите. Существует два типа клеток – эукарио- и прокариотические.
У людей есть ДНК в каждой из наших клеток.
Эукариотические клетки
У людей и многих других организмов есть эукариотические клетки. Это означает, что их клетки имеют ядро, связанное с мембраной, и несколько других структур, связанных с мембраной, которые называются органеллами.
В эукариотической клетке ДНК находится в пределах ядра. Небольшое количество ДНК также находится в органеллах, называемых митохондриями, которые являются энергетическими центрами клетки.
Поскольку в ядре есть ограниченное пространство, ДНК должна быть плотно упакована. Существует несколько различных стадий упаковки, однако конечными продуктами являются структуры, которые мы называем хромосомами.
Прокариотические клетки
Организмы, такие как бактерии, существуют с клетками прокариотичесими. Эти клетки не имеют ядра или органелл. В прокариотических клетках ДНК оказывается плотно свернутой внутри клетки.
Что происходит, когда ваши клетки делятся?
Клетки вашего тела делятся – это часть нормального процесса роста и развития. Когда это происходит, каждая новая клетка должна иметь полную копию ДНК.
Для достижения этого ваша ДНК должна пройти процесс, который называется репликацией. Когда это происходит, две цепи ДНК распадаются. Затем специализированные клеточные белки используют каждую цепочку как шаблон для создания новой цепи ДНК.
Когда репликация завершена, есть две двухзвенные молекулы ДНК. После завершения разделения один набор перейдет к каждой новой ячейки.
Вывод
ДНК является ключевым для нашего роста, размножения и здоровья. Оно содержит инструкции, необходимые вашим клеткам для выработки белков, влияющих на много разных процессов и функций в вашем организме.
Поскольку ДНК настолько важно, повреждения или мутации иногда могут способствовать развитию болезни. Однако также важно помнить, что мутации могут быть полезными и также способствовать нашему разнообразию как человеческого вида.
ДНК и гены
ДНК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ
Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения
Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.
С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).
Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы
В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т), гуанин — только с цитозином (Г-Ц). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой «лестницы» ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).
Рис. 2. Азотистые основания
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Рис. 3. Репликация ДНК
Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.
Образование новой ДНК (репликация)
По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.
Более подробная информация:
СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.
НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H2PO3–).
Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.
Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые
Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:
Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК
Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности ).
Правило комплементарности:
| A–T G–C |
Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.
Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).
Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.
Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК
ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:
Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α ( Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ ( Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.
Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)
Нагляднее о репликации ДНК см. видео →
5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.
СТРОЕНИЕ РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.
Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции
Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи
3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,
то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность
5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,
а синтезируемая с нее РНК – последовательность
3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:
Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:
Свойства генетического кода
1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.
2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:
3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.
Матричная цепь будет иметь последовательность:
5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.
Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:
3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.
Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:
5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Теперь найдем старт-кодон AUG:
5’– AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.
Разделим последовательность на триплеты:
Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:
Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.
Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии
ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ
Термин «геном» был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.
Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК
За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.
Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.
Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.
Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме?
ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.
Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.
Прокариоты (Бактерии).
Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).
Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.
Эукариоты.
Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов