Нуклеиновые кислоты

Хромосомы и гены

Внутри ядра нити ДНК плотно упакованы с образованием хромосом. Во время деления клетки хромосомы видны. Каждая хромосома имеет точку сужения, называемую центромерой, из которой формируются два основания. Короткое основание хромосомы обозначено «p arm». Длинное основание хромосомы обозначается «q arm».

Каждая пара хромосом по-разному определяется расположением центромеры и размерами оснований p и q. Люди обычно имеют 23 пары хромосом, что в общей сложности составляет 46. Двадцать две из этих пар, называемые аутосомами, выглядят одинаково как у мужчин, так и у женщин.

23-я пара называется половой хромосомой и отличается у мужчин и женщин. У женщин есть две копии Х-хромосомы или ХХ, а у мужчин — одна Х и одна Y-хромосома.

Гены — это наследственный материал, который лежит в клеточном ядре. Гены, которые состоят из ДНК, действуют как инструмент для создания молекул, называемых белками.

Проект «Геном человека» подсчитал, что у людей от 20 000 до 25 000 генов. У каждого человека есть две копии каждого гена, по одной унаследованной от каждого родителя. Они в основном одинаковы у всех людей, но небольшое количество генов (менее 1 процента от общего числа) немного отличается у людей, что составляет основу тестов на отцовство и анализа ДНК.

В отличие от ферментов, кислота не действует непосредственно на другие молекулы; скорее, различные ферменты воздействуют на ДНК и копируют её информацию либо в большее количество дезоксирибонуклеиновой кислоты в процессе репликации, либо транскрибируют её в белок. Другие белки, такие как гистоны, участвуют в упаковке ДНК или восстановлении ее повреждений, которое вызывает мутации.

Отличаются ли ДНК мужчины и женщины?

У большинства млекопитающих имеются по две половые хромосомы – у самок это две X, а у самцов X и Y. Разделение на два вида произошло более 100 миллионов лет назад. В Y-хромосоме значимым является ген SRY, который и запускает мужской тип развития организма. При оплодотворении яйцеклетка соединяется со сперматозоидом. От матери ребенок получает женскую Х-хромосому (одну из двух одинаковых), а от отца – либо Y, либо Х.

Конечная комбинация ХХ означает появление на свет девочки, а комбинация XY – даст жизнь мальчику. Так что не стоит винить матерей в том, что они рожают детей «не того» пола – решающую роль в этом играет организм отца.

Вполне логично, что новые знания побуждают ими воспользоваться. Если человек обнаружил тот самый «кирпичик», из которого построено его тело, то почему бы не попытаться осуществить перестройку или вообще сотворите нечто новое? Этим займется медицина будущего, а пока знания о ДНК позволяют решать менее масштабные задачи. Одной из них является анализ ДНК, позволяющий расшифровать часть ее информации. Еще в 2003 году ученые заявили, что выяснили местоположение всех генов, которые определяют наше развитие и жизнь.

Открытие ДНК

Когда микроскопы стали более изощренными и обеспечивают большее увеличение, роль ядра в делении клеток стала довольно ясной. С другой стороны, было общее понимание наследственности как «смешения» материнских и отцовских характеристик, поскольку наблюдалось слияние двух ядер во время оплодотворения.

Однако открытие ДНК как генетического материала, вероятно, началось с работы Грегора Менделя

Когда его эксперименты были заново открыты, выяснилось важное значение. Его результаты могут быть объяснены только через наследование дискретных частиц, а не через диффузное смешение признаков

В то время как Мендель назвал их факторами, с появлением химии в биологических науках началась охота за молекулярной основой наследственности.

Химическая изоляция ДНК

Впервые ДНК была химически выделена и очищена Иоганном Фридрихом Мишером, который изучал иммунологию. В частности, он пытался понять биохимия белых кровяных клеток. После выделения ядер из цитоплазма он обнаружил, что, когда к этим экстрактам добавлялась кислота, из них выделялись вязкие белые комки, похожие на пучки шерсти. решение, В отличие от белков эти осадки возвращались в раствор при добавлении щелочи. Это привело Мишера к выводу, что макромолекула была кислой по природе. Когда дальнейшие эксперименты показали, что молекула не была ни липидом, ни белком, он понял, что он выделил новый класс молекул. Так как это было получено из ядра, он назвал это вещество нуклеином.

Работа Альбрехта Косселя пролила больше света на химическую природу этого вещества, когда он показал, что нуклеин (или нуклеиновая кислота как это начинало называться) было сделано из углеводов, фосфатов и азотистых оснований

Коссель также сделал важное открытие, связывающее биохимическое исследование нуклеиновых кислот с микроскопическим анализом делящихся клеток. Он связал это кислое вещество с хромосомами, которые можно было наблюдать визуально, и подтвердил, что этот класс молекул почти полностью присутствует только в ядре

Другое важное открытие Косселя состояло в том, чтобы связать нуклеиновые кислоты с увеличением протоплазма и деление клеток, тем самым усиливая его связь с наследственностью и размножением.

Гены и ДНК

К началу двадцатого века молекулярная биология испытала ряд оригинальных открытий, которые привели к углубленному пониманию химических основ жизни и деления клеток. В 1944 году эксперименты трех ученых (Эйвери, Маккарти и Маклеода) предоставили убедительные доказательства того, что нуклеиновые кислоты, в частности ДНК, вероятно, являются генетическим материалом. Несколько лет спустя эксперименты Чаргаффа показали, что число пуриновых оснований в каждой молекуле ДНК равняется числу пиримидин основы. В 1952 году элегантный эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз подтвердил, что ДНК является генетическим материалом.

К этому времени достижения в рентгеновской кристаллографии позволили кристаллизовать ДНК и изучить ее дифракционные картины. Наконец, эти молекулы могут быть визуализированы с большей детализацией. Данные, полученные Розалинд Франклин, позволили Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику затем предложить двухцепочечную спиральную модель для ДНК с сахарофосфатной основой. Они включили правила Чаргаффа в отношении количества пурина и пиримидина, показав, что каждое пуриновое основание образует специфические водородные связи с другим пиримидиновым основанием. Они поняли, даже когда они предложили эту структуру, что они предоставили механизм для дублирования ДНК.

Как была открыта структура ДНК

Над открытием структуры ДНК в середине ХХ века бились многие ученые. Но только трое из них: Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс в 1962 году  были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Начало истории

Джеймс Уотсон родился в 1928 году. В момент открытия структуры ДНК ему было всего 25 лет. В 1947-1951 годах Джеймс Уотсон учился в магистратуре и аспирантуре Индианского университета. Под руководством итальянского ученого-рентгенолога Сальвадора Лурии он написал диссертацию о воздействии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов. В  1950 году Джеймс Уотсон получил докторскую степень. Изучая строение бактериофагов, Джеймс Уотсон, используя генетические методы, пытался определить структуру ДНК. Однако после доклада физика из Лондонского королевского колледжа Мориса Уилкинса, он понял, что для открытия структуры ДНК нужно использовать метод рентгеноструктурного анализа.

С целью изучения этого метода Джеймс Уотсон в 1951 году поступил в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, где начал изучать структуру белков. Там он познакомился с физиком Фрэнсисом Криком, который интересовался биологией и был силен в теории кристаллографии.

Основные события

Параллельно работам в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета над расшифровкой структуры ДНК работали сотрудники Лондонского королевского колледжа Морис Уилкинс и Розалинда Франклин. Розалинда Франклин ( рис.1) прекрасно владела методом рентгеноструктурного анализа и ее рентгенограммы ДНК отличались высоким качеством и четкостью.

Рис.1. Розалинда Франклин

Пытался разгадать структуру ДНК и нобелевский лауреат химик Лайнус Полинг. Однако его модели предполагали, что ДНК состоит из трех цепей.

В декабре 1952 года Морис Уилкинс без согласия Розалинды Франклин продемонстрировал Джеймсу Уотсону рентгенограмму №51, которая отличалась высокой четкостью. По одним данным ее выполнила Розалинда Франклин, по другим – Раймонд Гослинг.  Эта рентгенограмма помогла Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику построить модель структуры ДНК (рис.2).

Рис.1. Фрэнсис Крик (слева) и Джеймс Уотсон возле модели ДНК

«Мой рот открылся, и мой пульс начал биться» – написал Уотсон в своей знаменитой книге «Двойная спираль». Это была единственная информация, которая была нужна ему и Френсису Крику, чтобы составить точную модель структуры ДНК. Рентгенограмма 51 была доказательством того, что спиральная структура ДНК имела две нити, прикрепленные в середине фосфатными основаниями. В апрельском номере журнала Nature за 1953 год они опубликовали краткую статью, в которой описывали структуру ДНК и даже поместили набросок ее структуры. В том же номере журнала также была опубликована статья Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин. Но, как отмечают последующие исследователи этой почти детективной истории, статья Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика была краткой и четкой. Статья Розалинды Франклин и Мориса Уилкинса была менее строгой и понятной.

Конец истории

В 1958 году Розалинда Франклин умерла. У нее был диагносцирован рак. Возможно, сказалось длительное рентгеновское облучение при работе над рентгенограммами ДНК, возможно – огорчение, что другие воспользовались ее трудами без ее ведома.

В 1962 году за открытие структуры ДНК Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Функции РНК

Функции РНК: реализует наследственную информацию, принимает участие в синтезе белков.

Информационная (матричная) РНК (иРНК) представляет собой копию участка ДНК, то есть одного или нескольких генов. Она переносит генетическую информацию к месту синтеза полипептидной цепи и принимает в нем непосредственное участие. Соответственно длине участка ДНК, которое и РНК копирует, она состоит из 300-30 000 нуклеотидов. Часть и РНК в клетке составляет около 5 % общего количества. Молекулы и РНК относительно нестабильные – быстро распадаются на нуклеотиды. Срок их жизни составляет в клетках эукариот до нескольких часов, у микроорганизмов – несколько минут.

Подобно молекуле ДНК, и РНК имеет вторичную и третичную структуры, которые формируются с помощью водородных связей, гидрофобных, электростатических взаимодействий и т. п.

Рибосомная РНК составляет 60 % массы рибосом, около 85 % общего количества РНК клетки. Включает 3000-5000 нуклеотидов. Она не принимает участия в передаче наследственной информации. Входит в состав рибосомы и взаимодействует с ее белками, которых у эукариот около 100. У эукариот есть четыре типа рибосомной РНК, у прокариот — три. Выполняет структурную функцию: обеспечивает определенное пространственное расположение иРНК и тРНК на рибосоме.

Транспортная (тРНК) — переносит аминокислоты к месту синтеза белка. По принципу комплементарности узнает участок иРНК, отвечающий аминокислоте, которая транспортируется. К месту синтеза белка каждая аминокислота транспортируется своей тРНК. тРНК транспортируются элементами цитоскелета клетки.

Имеет форму трехлистника (листка клевера) — постоянную вторичную структуру, которая обеспечивается водородными связями. На верхушке тРНК расположен триплет нуклеотидов, соответствующий кодону иРНК и называющийся антикодоном. Возле основания есть участок, к которому благодаря ковалентной связи молекула аминокислоты прикрепляется. Содержит тРНК 70-90 нуклеотидов. Составляет до 10 % общего количества РНК. Известно около 60 видов тРНК.

тРНК может иметь довольно компактную L-подобной неправильной формы третичную структуру.

История открытия ДНК

Строение и функции ДНК были открыты Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, им даже была вручена Нобелевская премия в 1962 году.

Но впервые обнаружил нуклеиновые кислоты швейцарский ученый Фридрих Иоганн Мишер, работавший в Германии. В 1869 году он изучал животные клетки – лейкоциты. Для их получения использовал повязки с гноем, достававшиеся ему из больниц. Из гноя Мишер вымывал лейкоциты, а из них выделял белок. В ходе этих исследований ученому удалось установить, что в лейкоцитах кроме белков имеется еще что-то, какое-то неизвестное на тот момент вещество. Оно представляло собой нитевидный или хлопьевидный осадок, который выделялся, если создать кислую среду. Осадок сразу растворялся при добавлении щелочи.

Ученый с помощью микроскопа обнаружил, что при отмывании лейкоцитов с помощью соляной кислоты от клеток остаются ядра. Тогда он сделал заключение, что в ядре есть неизвестное вещество, названное им нуклеином (слово nucleus в переводе означает ядро).

Проведя химический анализ, Мишер выяснил, что новое вещество в своем составе имеет углерод, водород, кислород и фосфор. В то время фосфорорганических соединений было известно немного, поэтому Фридрих решил, что обнаружил новый класс соединений, находящихся в ядре клетки.

Таким образом, в XIX веке было открыто существование нуклеиновых кислот. Однако в то время никто не мог даже подумать о том, какая важная роль им принадлежит.

Значение РНК и ДНК

Когда было открыто, что такое ДНК, ее роль не была такой очевидной. Даже сегодня, несмотря на то, что раскрыто намного больше информации, остаются без ответов некоторые вопросы. А какие-то, возможно, еще даже не сформулированы.

Общеизвестное биологическое значение ДНК и РНК заключаются в том, что ДНК передает наследственную информацию, а РНК участвует в синтезе белка и кодирует белковую структуру.

Однако существуют версии, что эта молекула связана с нашей духовной жизнью. Что такое ДНК человека в этом смысле? Она содержит всю информацию о нем, его жизнедеятельности и наследственности. Метафизики считают, что опыт прошлых жизней, восстановительные функции ДНК и даже энергия Высшего «Я» — Творца, Бога содержится в ней.

По их мнению, цепочки содержат коды, касающиеся всех аспектов жизни, включая и духовную часть. Но некоторая информация, например, о восстановлении своего тела, расположена в структуре кристалла многомерного пространства, находящегося вокруг ДНК. Она представляет собой двенадцатигранник и является памятью всей жизненной силы.

Ввиду того, что человек не обременяет себя духовными знаниями, обмен информации в ДНК с кристаллической оболочкой происходит очень медленно. У среднестатистического человека он составляет всего пятнадцать процентов.

Предполагается, что это было сделано специально для сокращения жизни человека и падения на уровень дуальности. Таким образом, у человека растет кармический долг, а на планете поддерживается необходимый для некоторых сущностей уровень вибрации.

Уровни организации молекулы ДНК

Различают четыре уровня, определяющих строение и морфологию этой гигантской молекулы:

• Первичный уровень, или структура – это порядок нуклеотидов в цепи.
• Вторичная структура представляет собой знаменитую «двойную спираль». Устоялось именно это словосочетание, хотя на самом деле подобная структура напоминает винт.
• Третичная структура образуется вследствие того, что между отдельными участками двухцепочечной закрученной нити ДНК возникают слабые водородные связи, придающие молекуле сложную пространственную конформацию.
• Четвертичная структура – это уже сложный комплекс ДНК с некоторыми белками и РНК. В такой конфигурации ДНК упакована в хромосомы в ядре клетки.

Функции и состав

Молекула ДНК представляет собой полимер, который состоит из нескольких тысяч пар нуклеотидных мономеров. Объединение нескольких нуклеотидов вместе приводит к образованию полинуклеотидной цепи. Мономерными единицами кислоты являются нуклеотиды, а полимер известен как «полинуклеотид». Каждый нуклеотид состоит из 5-углеродного сахара (дезоксирибоза), азотсодержащего основания, присоединённого к сахару, и фосфатной группы.

Нуклеотиды также известны как азотистые основания ДНК. Азотистые основания бывают двух типов, а именно: пиримидины и пурины.

Пиримидины — это структуры с одним кольцом, Бывают нескольких типов, а именно цитозин и тимин. Они занимают меньше места в структуре кислоты. Пиримидин связан с дезоксирибозным сахаром в положении 3.

Пурины представляют собой соединения с двойным кольцом. Бывают двух типов, а именно аденин и гуанин. Занимают больше места в структуре кислоты. Дезоксирибозный сахар связан в положении 9 пурина.

Таким образом, в ДНК существует четыре различных типа азотистых оснований, а именно: аденин (A), гуанин (G), цитозин и тимин (T). В РНК тимин пиримидинового основания заменяется урацилом.

Пуриновые и пиримидиновые основания всегда сопряжены определённым образом. Аденин всегда будет сочетаться с тимином, а гуанин с цитозином. Аденин и тимин соединены двойными водородными связями, а гуанин и цитозин — тройными водородными связями. Однако эти связи являются слабыми, что помогает в разделении цепей во время репликации.

Дезоксирибоза сахара — пентозный сахар с пятью атомами углерода. Четыре атома углерода находятся внутри кольца, а пятый — с группой CH2. У последнего есть три группы ОН в 1, 3 и 5 углеродных положениях. Атомы водорода связаны с атомами углерода от одного до четырёх. В РНК сахарная рибоза похожа на дезоксирибозу за исключением того, что она имеет группу ОН на атоме углерода 2 вместо группы Н.

Молекула фосфата расположена альтернативно молекуле дезоксирибозы. Таким образом, с обеих сторон фосфата находится дезоксирибоза. Фосфат соединён с атомом углерода 3 дезоксирибозы с одной стороны и с атомом углерода 5 дезоксирибозы с другой стороны.

Нуклеозиды отличаются от нуклеотидов тем, что в них отсутствуют фосфатные группы. Четырьмя различными нуклеозидами ДНК являются дезоксиаденозин (дА), дезоксигуанозин (дГ), дезоксицитозин (дК) и дезокситимидин (дТ).

Кто открыл­

Первое открытие структуры ДНК приписывают английским биологам Джеймсу Уотсону и Френсису Крику, которые в 1953 году раскрыли особенности строения молекулы. Нашел же ее в 1869 году швейцарский врач Фридрих Мишер. Он изучал химический состав животных клеток с помощью лейкоцитов, которые массово скапливаются в гнойных поражениях.

Мишер занимался изучением способов отмывания лейкоцитов, выделял белки, когда обнаружил, что кроме них есть что-то еще. На дне посуды во время обработки образовался осадок из хлопьев. Изучив эти отложения под микроскопом, молодой врач обнаружил ядра, которые оставались после обработки соляной кислотой. Там содержалось соединение, которое Фридрих назвал нуклеином (от лат. nucleus — ядро).

Функции ДНК

Основными функциями ДНК являются:

1. Хранение наследственной информации. Последовательность аминокислот, находящихся в молекуле белка, определяется порядком, в котором расположены нуклеотидные остатки в молекуле ДНК. Также в ней зашифрована вся информация о свойствах и признаках организма.
2. ДНК способна передавать наследственную информацию следующему поколению. Это возможно из-за способности к репликации – самоудвоению. ДНК способна распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них (в соответствии с принципом комплементарности) восстанавливается исходная последовательность нуклеотидов.
3. При помощи ДНК происходит биосинтез белков, ферментов и гормонов.

Гены ДНК

Молекула несет в себе всю важную информацию о нуклеотидах, определяет расположение аминокислот в белках. ДНК человека и всех других организмов хранит сведения о его свойствах, передавая их потомкам.

Частью ее является ген — группа нуклеотидов, которая кодирует информацию о белке. Совокупность генов клетки образует ее генотип или геном.

Гены расположены на определенном участке ДНК. Они состоят из определенного числа нуклеотидов, которые расположены в последовательной комбинации. Имеется в виду то, что ген не может поменять свое место в молекуле, и он имеет совершенно конкретное число нуклеотидов. Их последовательность уникальна. Например, для получения адреналина используется один порядок, а для инсулина — другой.

Кроме генов, в ДНК располагаются некодирующие последовательности. Они регулируют работу генов, помогают хромосомам и отмечают начало и конец гена. Но сегодня остается неизвестной роль большинства из них.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК): строение

Роль хранителя наследственной информации у всех клеток — животных и растительных — принадлежит ДНК.

Схема строения ДНК изображена на рисунке 74. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити.

Ширина такой двойной спирали ДНК невелика, около 2 нм. Длина же ее в десятки тысяч раз больше — она достигает сотен тысяч нанометров.

Между тем самые крупные белковые молекулы в развернутом виде достигают в длину не более 100 — 200 нм.

Таким образом, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул.

Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика — она достигает десятков и даже сотен миллионов.

Обратимся к структуре ДНК. Каждая нить ДНК представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды.

Нуклеотид — это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода (моносахарида — дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.

ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов. Их структуры приведены на рисунке рисунке 75.

Как видно, у всех четырех нуклеотидов углевод и фосфорная кислота одинаковы.

Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют; нуклеотид с азотистым основанием аденин (сокращенно А), нуклеотид с гуанином (Г), нуклеотид с тимином (Т) и нуклеотид с цитозином (Ц).

По размерам А равен Г, а Т равен Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц.

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью — рисунок 76.

Итак, каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды.

Рассмотрим теперь, как располагаются относительно друг друга нити ДНК, когда образуется двойная спираль, и какие силы удерживают их рядом.

Представление об этом дает рисунок рисунок 77, на котором изображен небольшой участок двойной спирали.

Как видно, азотистые основания одной цепи «стыкуются» с азотистыми основаниями другой. Основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи.

В расположении стыкующихся нуклеотидов имеется важная закономерность, а именно: против А одной цепи всегда оказывается Т на другой цепи, а против Г одной цепи — всегда Ц.

Оказывается, что только при таком сочетании нуклеотидов обеспечивается, во-первых, одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и, во-вторых, образование между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей (три водородные связи между Г и Ц и две водородные связи между А и Т).

В каждом из этих сочетаний оба нуклеотида как бы дополняют друг друга. Слово «дополнение» на латинском языке «комплемент». Принято поэтому говорить, что Г является комплементарным Ц, а Т комплементарен А.

Если на каком-нибудь участке одной цепи ДНК один за другим следуют нуклеотиды А, Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся комплементарные им Т, Ц, Г, А, Т, Г, Г.

Таким образом, если известен порядок следования нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности сразу же выясняется порядок нуклеотидов в другой цепи.

Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость и в то же время сохраняет ее подвижность: под влиянием фермента дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в ядре клетки, а также в митохондриях и хлоропластах.

В ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками.

Функции

Упаковка генома

Суперспирализация ДНК важна для упаковки ДНК во всех клетках. Поскольку длина ДНК может в тысячи раз превышать длину клетки, упаковка этого генетического материала в клетку или ядро ​​(у эукариот) является сложной задачей. Суперспирализация ДНК уменьшает пространство и позволяет упаковывать ДНК. У прокариот преобладают плектонемные суперспирали из-за круговой хромосомы и относительно небольшого количества генетического материала. У эукариот суперспирализация ДНК существует на многих уровнях как плектонемных, так и соленоидных суперспиралей, причем соленоидная суперспирализация оказывается наиболее эффективной для уплотнения ДНК. Соленоидная суперспирализация достигается с помощью гистонов с образованием волокна 10 нм. Это волокно затем свернуто в 30-нм волокно, а затем наматывается на себя еще много раз.

Упаковка ДНК значительно увеличивается во время митоза, когда дублированные сестринские ДНК разделяются на дочерние клетки. Было показано, что конденсин , большой белковый комплекс, который играет центральную роль в сборке митотических хромосом, индуцирует положительные суперспирали зависимым от гидролиза АТФ способом in vitro . Суперспирализация также может играть важную роль во время интерфазы в формировании и поддержании топологически ассоциирующих доменов (TAD).

Суперспирализация также необходима для синтеза ДНК / РНК. Поскольку ДНК должна быть размотана для действия ДНК / РНК- полимеразы , в результате будут возникать суперспирали. Область перед полимеразным комплексом будет размотана; это напряжение компенсируется положительными суперспиралями перед комплексом. За комплексом перематывается ДНК, и возникают компенсаторные отрицательные суперспирали. Топоизомеразы, такие как ДНК-гираза (топоизомераза типа II), играют роль в снятии некоторых стрессов во время синтеза ДНК / РНК.

Экспрессия гена

Специализированные белки могут распаковывать небольшие сегменты молекулы ДНК, когда она реплицируется или транскрибируется в РНК . Но работа, опубликованная в 2015 году, показывает, как ДНК открывается сама по себе.

Простое скручивание ДНК может обнажить внутренние основания снаружи без помощи каких-либо белков. Кроме того, сама транскрипция искажает ДНК в живых клетках человека, сжимая одни части спирали и ослабляя ее в других. Это напряжение вызывает изменения формы, в первую очередь раскрытие спирали для считывания. К сожалению, эти взаимодействия очень трудно изучать, потому что биологические молекулы легко изменяются. В 2008 году было отмечено, что транскрипция скручивает ДНК, оставляя за собой след из перескрученной (или отрицательно сверхспиральной) ДНК. Более того, они обнаружили, что сама последовательность ДНК влияет на то, как молекула реагирует на сверхспирализацию. Например, исследователи определили конкретную последовательность ДНК, которая регулирует скорость транскрипции; по мере того, как количество суперспиралей увеличивается и уменьшается, он замедляет или ускоряет скорость, с которой молекулярные механизмы считывают ДНК. Предполагается, что эти структурные изменения могут вызывать стресс в другом месте на своем протяжении, что, в свою очередь, может обеспечивать триггерные точки для репликации или экспрессии генов. Это означает, что это очень динамичный процесс, в котором и ДНК, и белки влияют друг на друга на то, как действует и реагирует другой.

Особенности доядерных микроорганизмов

Как становится понятным из определения прокариот, основное качество их строения заключается в отсутствии ядра. Кольцевая молекула ДНК отвечает за сохранность и передачу всей информации, которая понадобится новой клетке, созданной в процессе деления. Структура цитоплазмы очень плотная и она неподвижна. В ней нет ряда органоидов, которые выполняют важные функции в клетках эукариот:

• митохондрий,
• лизосом,
• эндоплазматической сети,
• пластидов,
• комплекса Гольджи.

В цитоплазме хаотично расположены рибосомы, которые «заняты» на производстве белков

Немаловажной является миссия по производству энергии. Ее синтез происходит в митохондриях, но строение бактерий исключает их наличие

Поэтому функцию данных органоидов взяла на себя именно цитоплазма.

В митохондриях имеется одна особенность, делающая их несколько схожими с бактериями, – в них хранится митохондриальная ДНК. Ее строение напоминает бактериальные хромосомы. ДНК в митохондриях собрана в отдельный кольцевой нуклеоид. Некоторые особо длинные органоиды могут содержать до десяти таких молекул. Когда в подобных митохондриях начинается процесс деления, то от них отделяется участок, содержащий в себе один нуклеоид. И в этом можно также найти сходство с бинарным делением бактерий.

Репликация ДНК и ее строение

И первичная, и вторичная структуры ДНК возникают в ходе явления, называемого репликацией – образования из материнской макромолекулы двух идентичных ей «двойных спиралей». При репликации исходная молекула расплетается, и на освободившихся одиночных цепочках происходит наращивание комплементарных оснований. Поскольку половинки ДНК антипараллельны, этот процесс протекает на них в разных направлениях: по отношению к материнским цепочкам от 3’-конца к 5’-концу, то есть новые цепочки растут в направлении 5’ → 3’. Лидирующая цепь синтезируется непрерывно в сторону репликационной вилки; на отстающей цепи синтез совершается от вилки отдельными участками (фрагменты Оказаки), которые затем сшивает между собой особый фермент – ДНК-лигаза.

Пока продолжается синтез, уже сформированные концы дочерних молекул претерпевают винтообразное закручивание. Затем, еще до окончания репликации новорожденные молекулы начинают образовывать третичную структуру в процессе, именуемом сверхспирализацией.