Днк имеется в клетке ядре. Как связаны между собой хромосомы, ДНК, гены? Строение нуклеиновых кислот

В ядре содержится большая часть ДНК клетки и осуществляется сложный механизм регуляции генной экспрессии
Ядерная оболочка представляет собой двойную мембрану, окружающую ядро
Ядро содержит не окруженные мембраной субкомпартменты
В ядерной оболочке находятся поры, предназначенные для поступления белков в ядро и для выхода из него РНК и белков

При исследовании эукариотической клетки в световом микроскопе, наиболее крупным из видимых компартмен-тов является ядро. Термин «эукариотический» означает «имеющий истинное ядро», и наличие последнего служит характерной особенностью всех эукариотических клеток. В ядре содержится практически весь генетический материал эукариотической клетки, и оно служит центром, контролирующим ее биологическую активность. (Небольшое количество ДНК содержится в митохондриях и в хлоропластах растительных клеток.)

Вероятно, первым, кто увидел клеточное ядро, был Антони ван Левенгук (1632-1723). При изучении клеток крови амфибий и птиц он обнаружил в центре «отчетливую область». Однако честь открытия ядра принадлежит аббату Феликсу Фонтане (1730-1803), который в своих зарисовках клеток эпидермиса кожи угря, сделанных в 1781 г., изобразил ядро в виде яйцевидной структуры.

Шотландский ботаник Роберт Браун (1773-1838) отметил, что во всех изученных им клетках растений содержалась «круглая область, обыкновенно несколько более прозрачная, чем клеточная оболочка». Он был первым, кто назвал эти структуры ядрами, термином, производным от латинского слова нуклеус, обозначающего ядро.

Как видно на микрофотографиях , полученных с помощью электронного микроскопа, ядро окружено двойной мембраной, называемой ядерной оболочкой. Две мембраны разделены промежутком, который контактирует с эндоплазматическим ретикулумом (ЭПР). Пронизывающий ядерную оболочку ядерный поровый комплекс (ЯПК) представляет собой каналы, по которым между ядром и цитоплазмой проходят макромолекулы. В отличие от белков, транспортирующихся через ЭПР или мембраны митохондрий, белки, проходящие через ЯПК, находятся в скрученном состоянии.

В ядре находятся субкомпартменты, которые не окружены мембранами . Эти субкомпартменты обладают специализированными функциями. Единственный ядерный субкомпартмент, хорошо видимый в световом микроскопе, - ядрышко, в котором синтезируется рибосомная РНК (рРНК) и собираются субъединицы рибосом. Остальные субкомпартменты видимы с помощью иммунофлуоресцентной микроскопии. К ним относятся тельца, содержащие факторы сплайсинга РНК и области репликации ДНК. Часть ядра, расположенная вне ядрышек, называется нуклеоплазма.

В ядре ДНК находится в различной конфигурации. На микрофотографиях, выполненных с помощью электронного микроскопа, некоторые области ДНК выглядят темнее, потому что скручены более сильно (см. рис. 5.2). Такая ДНК относится к гетерохроматину и не участвует в активной транскрипции. Большая часть гетерохроматина примыкает к ядерной оболочке. Остальная ДНК упакована менее плотно и принадлежит к эухроматину. В этой части хроматина присутствуют активно экспрессирующиеся гены. В большинстве клеток гораздо большая часть ДНК находится в составе эухроматина, чем в гетерохроматине.

Какие преимущества обеспечивает ядро эукариотической клетке? Ядро защищает и участвует в сложном процессе регуляции генной активности. В клетке эукариот содержится больше ДНК, чем в прокариотической клетке (в некоторых случаях в 10 000 раз больше). Эта ДНК упакована в хромосомы, в каждой из которых содержится одна молекула ДНК. Один двунитевый разрыв в ДНК одной хромосомы может оказаться для клетки летальным событием.

В интерфазе ДНК упакована относительно неплотно, так что ферменты, ответственные за репликацию и синтез РНК, имеют к ней доступ. Когда ДНК упакована рыхло, она в большей степени склонна к повреждениям. Подвижная структура цитоскелета генерирует усилия сдвига, которые могут нарушить целостность ДНК в тех местах интерфазного ядра, где она оказывается незащищенной. Напротив, в митозе хромосомы становятся компактными, поскольку ДНК скручивается в плотную структуру. Хотя при митозе ядерная мембрана исчезает и ДНК оказывается в окружении цитоплазмы, конденсированные хромосомы более устойчивы к повреждениям, которые вызываются силами сдвига при движении цитоскелета.

Наличие ядра позволяет клеткам эукариот иметь гораздо более сложную систему регуляции экспрессии генов, чем прокариотическим клеткам. В клетках прокариотических организмов трансляция и транскрипция являются сопряженными процессами: трансляция мРНК начинается до момента завершения их синтеза. Вследствие разделения эукариотической клетки на цитоплазматический и ядерный компартменты многие макромолекулы должны транспортироваться между ядром и цитоплазмой.

Например, транскрипция и процессинг мРНК происходят в ядре, и затем эти молекулы поступают в цитоплазму, где происходит синтез белка. Особенности протекания процессов транскрипции и трансляции в клетках про- и эукариот представлены на рисунке ниже. Для протекания репликации, транскрипции и других ядерных процессов необходимо много белков, которые должны поступать из цитоплазмы. В ядре из множества образующихся там молекул РНК собираются субъединицы рибосом, при этом более сотни необходимых белков импортируются из цитоплазмы. Образующиеся субъединицы выходят в цитоплазму.

Все макромолекулы поступают в ядро и выходят из него через ЯПК Важно отметить, что двухсторонний ядерный транспорт молекул является регулируемым процессом.

Большинство клеток имеют одно ядро, изредка встречаются двухъадерные (клетки печени) и многоядерные (многие водоросли, грибы, млечные сосуды растений, поперечнополосатые мышцы). Некоторые клетки в зрелом состоянии не имеют ядра (например, эритроциты млекопитающих и клетки ситовидных трубок у цветковых растений).

Форма и размеры ядра клетки очень изменчивы и зависят от вида организма, а также от типа, возраста и функционального состояния клетки. Ядро может быть шаровидным (5-20 мкм в диаметре), линзовидным, веретеновидным и даже многолопастным (в клетках паутинных желез некоторых насекомых и пауков).

Общий план строения ядра одинаков у всех клеток эукариот (рис. 1.16). Клеточное ядро состоит из ядерной оболочки, ядерного матрикса (нуклеоплазмы), хроматина и ядрышка (одного или нескольких).

Рис. 1.16. Схема строения ядра: 1 - ядрышко; 2 - хроматин; 3 - внутренняя ядерная мембрана; 4 - внешняя ядерная мембрана; 5 - поры в ядерной оболочке; 6-рибосомы; 7-шероховатый эндоплаз-матический ретикулум.

От цитоплазмы содержимое ядра отделено двойной мембраной, или так называемой ядерной оболочкой. Наружная мембрана в некоторых местах переходит в каналы эндоплазм этического ретикулума; к ней прикреплены рибосомы. Внутренняя мембрана рибосом не содержит. Ядерная оболочка пронизана множеством пор диаметром около 90 нм.

Содержимое ядра представляет собой гелеобразны матрикс, называемый ядерным матриксом (нуклеоплазмой), в котором располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек. Ядерный метрике содержит примембранные и межхроматиновые белки, белки-ферменты, РНК, участки ДНК, атакже различные ионы и нуклеотиды.

Хроматин на окрашенных препаратах клетки представляет собой сеть тонких тяжей (фибрилл), мелких гранул или глыбок. Основу хроматина составляют нуклеопротеины - длинные нитевидные молекулы ДНК (около 40%), соединенные со специфическими белками - гистонами (40%). В состав хроматина входят также РНК, кислые белки, липиды и минеральные вещества (ионы Са2- и Mg2+), а также фермент ДНК-пол и мераза, необходимый для репликации ДНК. В процессе деления ядра нуклеопротеины спирализуются, укорачиваются, в результате уплотняются и формируются в компактные палочковидные хромосомы, которые становятся заметны при наблюдении в световой микроскоп.

У каждой хромосомы имеется первичная перетяжка - центромера (утонченный неспирализованный участок), которая делит хромосому на два плеча (рис. 1.17). В области первичной перетяжки располагается фибриллярное тельце - кинетохор, который регулирует движение хромосом при клеточном делении: к нему прикрепляются нити веретена деления, разводящие хромосомы к полюсам.

Рис. 1.17. Основные виды хромосом: 1 - одноплечая; 2 - неравноплечая; 3 -- равноплечая.

В зависимости от расположения перетяжки выделяют три основных вида хромосом: 1) равноплечие - с плечами равной длины; 2) неравноплечие - с плечами неравной длины; 3) одноплечие (палочковидные) - с одним длинным и другим очень коротким, едва заметным плечом (см. рис. 1.17).

Каждой клетке того или иного вида живых организмов свойственны определенные число, размеры и форма хромосом. Совокупность хромосом соматической клетки, типичную для данной систематической группы грибов, животных или растений, называют хромосомным набором или кариотипом.

Число хромосом в зрелых половых клетках называют гаплоидным набором и обозначают буквой л. Соматические клетки содержат двойное число хромосом (диплоидный набор), обозначаемое как 2я. Клетки, имеющие более двух наборов хромосом, являются полиплоидными (4n, 8n и т. д.). Парные хромосомы, т. е. одинаковые по форме, структуре и размерам, но имеющие разное происхождение (одна материнская, другая отцовская), называются гомологичными.

Количество хромосом в кариотипе не связано с уровнем организации живых организмов; примитивные формы Moгут иметь большее число хромосом, чем высокоорганизованные, и наоборот. Например, клетки радиолярий (морских простейших) содержат 1 000-1 600 хромосом, а клетки шимпанзе - всего 48. Однако следует помнить, что все организмы одного вида имеют одинаковое количество хромосом, т. е. для них характерна видовая специфичность кариотипа. В клетках человека диплоидный набор составляет 46 хромосом, клетках пшеницы мягкой - 42, картофеля - 18, мухи домашней - 12, плодовой мушки дрозофилы - 8. Правда, клетки разных тканей даже одного организма в зависимости от выполняемой функции могут иногда содержать разное число хромосом. Так, в клетках печени животных бывает разное число наборов хромосом (4л, 8ч). По этой причине понятия мкариотип» и «хромосомный набор» не совсем идентичны.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, не связанную с прикреплением нитей веретена. Этот участок хромосомы контролирует синтез ядрышка (ядрышковый организатор).

Ядрышки - это округлые, сильно уплотненные, не ограниченные мембраной участки клеточного ядра диаметром 1-2 мкм и более. Форма, размеры и количество ядрышек зависят от функционального состояния ядра: чем крупнее ядрышко, тем выше его активность.

В состав ядрышек входит около 80% белка, 10-15% РНК, 2- 12% ДНК. Во время деления ядра ядрышки разрушаются. В конце деления клетки ядрышки вновь формируются вокруг определенных участков хромосом, называемых ядрышковьши организаторами. В ядрышковых организаторах локализованы гены рибо-сомной РНК. Здесь происходит синтез рибосомных РНК, объединение их с белками, что ведет к образованию субъединиц рибосом. Последние через поры в ядерной оболочке переходят в цитоплазму. Таким образом, ядрышко представляет собой место синтеза рРНК и самосборки рибосом.

Микрофотография ядрышка

Ядрышко- хромосомные участки, определяющие синтез рРНК и образование клеточных рибосом. В растущих ооцитах неск сот ядрышек - амплификация ядрышек. Ядрышки отсутствуют в клетках дробящихся яиц и в дифф. кл - клетки крови

Число ядрышек зависит от числа ядрышковых организаторов - участки, на кот в телофазе происх образование ядрышек интерфазного ядра - образуют вторичные перетяжки х-м. У человека яо расп в коротких плечах 13, 14, 15, 21 и 22 хромосом (10 на диплоидный набор). 82). У кошки - 2; у свиньи - 2; у мыши - 4; у коровы - 8. У хладнокр. позвоночных и птиц обычно 1пара яо х-м

Локализация яо определяется на митотических х-мах окраской солями серебра, связ с яо белками, более точно определение яо методом FISH. Ядрышки могут сливаться др с другом.

Множественность рибосомных генов

при разрыве х-мы на месте вторичной перетяжки ядрышки могут

возникать на каждом из фрагментов х-м – множество копий рибосомных генов - полицистроны - умеренные повторы. У E. coli 6-7 рассеянных по геному идентичных оперонов рРНК- ~1% всей ДНК. Число генов рРНК постоянно в клетке

Амплифицированные ядрышки - гены рРНК мб избыточно реплицированы. При этом дополнительная репликация генов рРНК происходит в целях обеспечения продукции большого количества рибосом. В результате такого сверхсинтеза генов рРНК их копии могут становиться свободными, экстрахромосомными. Эти внехромосомные копии генов рРНК могут функционировать независимо, в результате чего возникает масса свободных дополнительных ядрышек, но уже не связанных структурно с ядрышкообразующими хромосомами. Это явление получило название амплификации генов рРНК. подробно изучено на растущих ооцитах амфибий.

У X. laevis амплификация рДНК, происходит в профазеI. В этом случае количество амплифицированной рДНК (или генов рРНК) становится в 3000 раз больше того, что приходится

на гаплоидное количество рДНК, и соответствует 1,5х106 генов рРНК. Эти сверхчисленные внехромосомные копии и образуют сотни дополнительных ядрышек в растущих ооцитах. В среднем же на одно дополнительное ядрышко приходится несколько сот или тысяч генов рРНК.

Амплифицированные ядрышки встречаются также в ооцитах насекомых. У окаймленного плавунца в ооцитах обнаружено 3х106 экстрахромосомных копий генов рРНК.

После периода созревания ооцита при его двух последовательных делениях дополнит ядрышки в состав митотических хромосом не входят, они отделяются от новых ядер и деградируют.

У Tetrachymena pyriformis в гаплоидном геноме микронуклеуса единственный ген рРНК. В макронуклеусе ~200 копий.

У дрожжей экстрахромосомные копии генов рРНК - циклические ДНК l~3 мкм, сод один ген рРНК.

СТРУКТУРА ЯДРЫШКА

В ядрышке различают гранулярный компанент (гк) и фибриллярный компанент (фк).

Гранулярный компанент представляет собой

гранулы 15-20 нм, обычно расположенные на периферии ядрышка, хотя гк и фк могут быть распределены равномерно.

Фк и гк способны образовывать нитчатые структуры - нуклеолонемы - ядрышковые нити ~100-200 нм, которые могут образовывать отдельные сгущения.

Фибриллярный компанент - представляет собой тонкие (3-5 нм) фибриллы - диффузная часть ядрышек, в центре ядрышка – 1 или 3-5 отдельных зон: фибриллярные центры - частки скопления фибрилл с низкой е лотностью, окруженные зоной фибрилл высокой е плотности - плотный фибриллярный компонент

хроматин – примыкает или окружает ядрышко. 30нм фибриллы хроматина по периферии ядрышка могут заходить в лакуны, м-у нуклеолонемными участками.

белковый сетчатый матрикс –

метод регрессивного окрашивания нк - ионы уранила, связанные с ДНК легко вымываются хелатоном ЭДТА, чем с РНК?окрашенные структуры сод РНК: гранулы (сильно), пфк (слабее), хроматин (не окрашен)

импульсное мечение (3H-уридин), первые следы мечения обнаруживались сначала (через 1-15 мин) в пфк, а затем (до 30 мин) меченым оказывался гк. в фц метка не обнаруживалась?45S пре-рРНК синтезируется в области пфк, а гранулярный компонент ядрышка соответствует прерибосомным частицам (55S-, 40S РНП).

окрашивание осмий-амином, ДНКазы, меченной золотом, связыванием меченого актиномицина, прямой молекулярной гибридизацией с меченой рДНК - что в составе фибриллярных центров находится ДНК, ответственная за синтез рРНК. Зоны фибриллярных центров отличаются от остального хроматина тем, что состоят из тонких хроматиновых фибрилл, значительно обедненных гистоном H2 (что показано с помощью меченных коллоидным золотом антител).

фц: неактивные рибосомные гены, спейсерные участки.

Транскрипция пре-рРНК происходит по периферии фц, где пфк и представляет собой 45S пре-рРНК, располагающиеся в виде “елочек” на деконденсированных участках рДНК После завершения

транскрипции 45S РНК теряет связь с транскрипционной единицей на ДНК в зоне плотного фибриллярного компонента, каким-то еще непонятным образом переходит в гранулярную зону, где и происходит процессинг рРНК, образование и созревание рибосомных субъединиц.

Фибриллярный центр и ядрышковый организатор

Строение и химические характеристики ФЦ оказались практически одинаковыми с таковыми ядрышковых организаторов митотических хромосом. И те и другие построены из тесно ассоциированных фибрилл, толщиной 6-10 нм; и те и другие обладают характерной особенностью - окрашиваться солями серебра, что зависит от наличия особых ядрышковых белков, содержат РНК-полимеразу I.

число ФЦ в интерфазных ядрышках, не соответствует числу ядрышковых организаторов в митозе. Так в клетках культуры СПЭВ число ФЦ может быть в 2-4 раза выше, чем число ядрышковых организаторов.

Более того, количество ФЦ возрастает по мере увеличения плоидности клетки (G2, 4n) и транскрипционной ее активности.

При этом уменьшается величина каждого отдельного фибриллярного центра. Однако суммарные объемы ФЦ при пересчете на гаплоидный хромосомный набор остаются постоянными в интерфазе, но превышают это число вдвое по сравнению метафазой. Другими словами при активации синтеза рРНК наблюдается такое изменение числа ФЦ и их размеров, которое может говорить о какой-то фрагментации исходных ФЦ в относительно мало активных ядрышках.

Противоположная картина наблюдается при затухании синтетических процессов в дифференцирующихся клетках эритроидного ряда мышей (табл. 12). При этом видно, что в размножающихся и активно синтезирующих гемоглобин проэритробластах количество фибриллярных центров зависит от плоидности клетки (88 в G1-фазе, 118 в G2-фазе клеточного цикла), размер индивидуальных ФЦ изменяется мало. После прекращения размножения этих клеток и падении их синтетической активности резко меняются параметры ядрышка. Их объем, уже начиная со стадии базофильного эритробласта

уменьшается в 4-5 раз, а на конечной стадии дифференцировки (нормобласт) - в сотню раз. При этом резко падает число ФЦ (10-40 раз) и возрастает объем почти в 10 раз величины отдельного фибриллярного центра.

Исходя из этих наблюдений можно так представить общую схему активации и инактивации ядрышка (рис. 90) на примере одного ядрышкового организатора.

В неактивной форме ядрышковый организатор представлен в виде одного крупного фибриллярного центра, включающего в себя компактно уложенную часть цепи хромосомной ДНК, несущей тандемно расположенные рибосомные гены (транскрипционные единицы). В начале активации ядрышка происходит деконденсация р-генов на периферии такого фибриллярного центра, эти р-гены начинают транскрибироваться, на них образуются РНП-транскрипты, которые при созревании дают начало появлению гранул - предшественников рибосом по периферии активированного ядрышка. По мере усиления транскрипции единый фибриллярный центр как бы распадается

РНК ДНК →ДНК , ДНК →РНК , РНК →РНК и РНК →белок имели экспери­ментальные прямые или... клетках быстро активируются эритроцитарные ядра ; в них син­тезируются РНК , ДНК и белки, специфичные для данного...

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - это присутствующая в каждом организме и в каждой живой , главным образом в её ядре, нуклеиновая кислота, содержащая в качестве сахара дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований аденин, гуанин, цитозин и тимин. Играет очень важную биологическую роль, сохраняя и передавая по наследству генетическую информацию о строении, развитии и индивидуальных признаках любого организма. Препараты ДНК можно получить из различных тканей животных и растений, а также из бактерий и ДНК-содержащих .

ДНК - биополимер, состоящий из многих мономеров - дезоксирибонуклеотидов, соединённых через остатки фосфорной кислоты в определённой последовательности, специфичной для каждой индивидуальной ДНК. Уникальная последовательность дезоксирибонуклеотидов в данной молекуле ДНК представляет собой кодовую запись биологической информации. Две такие полинуклеотидные цепочки образуют в молекуле ДНК двойную спираль (см. рис. 1), в которой комплементарные основания - аденин (А) с тимином (Т) и гуанин (Г) с цитозином (Ц) - связаны друг с другом при помощи водородных связей и так называемых гидрофобных взаимодействий. Такая характерная структура обусловливает не только биологические свойства ДНК, но и её физико-химические особенности.

Нажмите на картинку для увеличения:

Рис. 1. Схема двойной спирали молекулы ДНК (модель Уотсона и Крика): А - аденин; Т - тимин; Г - гуанин; Ц - цитозин; Д - дезоксирибоза; Ф - фосфат

Большое число фосфатных остатков делает ДНК сильной многоосновной кислотой (полианионом), которая присутствует в тканях в виде солей. Наличие пуриновых и пиримидиновых оснований обусловливает интенсивное поглощение ультрафиолетовых лучей с максимумом при длине волны около 260 ммк. При нагревании растворов ДНК связь между парами оснований ослабевает и при некоторой температуре, характерной для данной ДНК (обычно 80 - 90°), две полинуклеотидные цепочки отделяются друг от друга (плавление, или денатурация, ДНК).

Нативные молекулы ДНК обладают очень высокой молярной массой - до сотен миллионов. Лишь в митохондриях, а также некоторых вирусах и бактериях молярная масса ДНК значительно меньше; в этих случаях молекулы ДНК имеют кольцевую (иногда, например, у фага ∅Х174, однонитевую) или, реже, линейную структуру. В клеточном ядре ДНК находится преимущественно в виде ДНК-протеидов - комплексов с (главным образом гистонами), образующих характерные ядерные структуры - хромосомы и хроматин. У особи данного вида в ядре каждой соматическую клетки (диплоидной клетки тела) содержится постоянное количество ДНК; в ядрах половых клеток (гаплоидных) оно вдвое ниже. При полиплоидии количество ДНК выше и пропорционально плоидности. Во время деления клетки количество ДНК удваивается в интерфазе (в так называемом синтетическом, или «S»-периоде, - между G1- и G2-периодами ). Процесс удвоения ДНК (репликация) заключается в развёртывании двойной спирали и синтезе на каждой полинуклеотидной цепи новой, комплементарной ей, цепочки. Таким образом, каждая из двух новых молекул ДНК, идентичных старой молекуле, содержит по одной старой и одной вновь синтезированной полинуклеотидной цепочке.

Биосинтез ДНК происходит из богатых свободной энергией нуклеозидтрифосфатов под действием фермента ДНК-полимеразы. Сначала синтезируются небольшие участки полимера, которые затем соединяются в более длинные цепи под действием фермента ДНК-лигазы. Вне организма биосинтез ДНК идёт в присутствии всех 4 типов дезоксирибонуклеозидтрифосфатов, соответствующих ферментов и ДНК - матрицы, на которой синтезируется комплементарная нуклеотидная последовательность. Американскому учёному, биохимику Артуру Корнбергу, впервые осуществившему эту реакцию в 1967 году, удалось получить путём ферментативного синтеза вне организма биологически активную ДНК вируса. В 1968 году индийский и американский молекулярный биолог Хар Гобинд Корана синтезировал химически полидезоксирибонуклеотид, соответствующий структурному гену (цистрону) ДНК.

ДНК служит также матрицей для синтеза рибонуклеиновых кислот (РНК), определяя тем самым их первичную структуру (транскрипция). Через посредство информационной РНК (и-РНК) осуществляется трансляция - синтез специфических белков, структура которых задана ДНК в виде определённой нуклеотидной последовательности. Итак, если РНК переносит биологическую информацию, «записанную» в молекулах ДНК, на синтезируемые молекулы белков, то ДНК сохраняет эту информацию и передаёт её по наследству. Эта роль ДНК доказывается тем, что очищенная ДНК одного штамма бактерий способна передавать др. штамму признаки, характерные для штамма-донора, а также тем, что ДНК вируса, обитавшего в скрытом состоянии в бактериях одного штамма, способна переносить участки ДНК этих бактерий на другой штамм при заражении его этим вирусом и воспроизводить соответствующие признаки у штамма-реципиента. Таким образом, наследственные задатки (гены) материально воплощены в определённой последовательности нуклеотидов в участках молекулы ДНК и могут передаваться от одного индивидуума другому вместе с этими участками. Наследственные изменения организмов (мутации) связаны с изменением, выпадением или включением азотистых оснований в полинуклеотидные цепочки ДНК и могут быть вызваны физическими или химическими воздействиями.

Выяснение строения молекул ДНК и их изменение - путь к получению наследственных изменений у животных, растений и микроорганизмов, а также к исправлению наследственных дефектов. (советский и российский учёный, биохимик, академик РАМН, профессор Илья Борисович Збарский (26 октября 1913, Каменец-Подольский — 9 ноября 2007, Москва))

В 1977 году английский биохимик Фредерик Сенгер предложил метод расшифровки первичной структуры ДНК, основанный на ферментативном синтезе высокорадиоактивной комплементарной последовательности ДНК на изучаемой однонитевой ДНК как на матрице. В результате исследований в области нуклеиновых кислот в 1980 Сенгеру и американцу У. Гилберту была присуждена половина Нобелевской премии «за вклад в определение последовательности оснований в нуклеиновых кислотах». Другая половина премии была присуждена американцу П. Бергу.

В обычной жизни (т.е. не в науке) ДНК используют для установления отцовства и установление личности человека , когда при повреждении тела (авария, пожар и пр.) невозможно опознание тела по внешним данным и останкам.

10 сентября 1984 года была открыта уникальность ДНК - «генетические отпечатки».

В теле обычного человека достаточно ДНК, чтобы простираться от Солнца до Плутона и обратно целых 17 раз! Геном человека (генетический код в каждой клетке человека) содержит 23 молекулы ДНК (называемых хромосомами), каждая из которых содержит от 500 000 до 2,5 миллионов нуклеотидных пар. Молекулы ДНК такого размера имеют длину от 1,7 до 8,5 см при размотке - в среднем около 5 см. Каждый из нас делится 99% нашей ДНК с каждым другим человеком. Мы гораздо более схожи, чем различны.

Подробнее про ДНК в литературе:

• Химия и биохимия нуклеиновых кислот, под редакцией И. Б. Збарского и Сергея Сергеевича Дебова, Л., 1968;
• Нуклеиновые кислоты, перевод с английского , под редакцией И. Б. Збарского, М., 1966;
• Джеймс Уотсон. Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967;
• Дэвидсон Дж., Биохимия нуклеиновых кислот, пер. с англ., под редакцией Андрея Николаевича Белозерского, М., 1968. И. Б. Збарский;
• Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки в 3-х томах. - М.: Мир, 1994. - 1558 с. - ISBN 5-03-001986-3;
• Докинз Р. Эгоистичный ген. - М.: Мир, 1993. - 318 с. - ISBN 5-03-002531-6;
• История биологии с начала XX века до наших дней. - М.: Наука , 1975. - 660 с.;
• Льюин Б. Гены. - М.: Мир, 1987. - 544 с.;
• Пташне М. Переключение генов. Регуляция генной активности и фаг лямбда. - М.: Мир, 1989. - 160 с.;
• Уотсон Дж. Д. Двойная спираль: воспоминания об открытии структуры ДНК. - М.: Мир, 1969. - 152 с.

По теме статьи:

Найти ещё что-нибудь интересное:

ДНК - это химическое вещество, тот материал, из которого состоят хромосомы. Каждая хромосома состоит из одной молекулы ДНК. Таким образом в ядре соматической клетки человека имеется 46 молекул ДНК. Однако ДНК и хромосомы - это не тождественные понятия. Помимо ядра, ДНК содержится в митохондриях, а у растений - ещё и в хлоропластах. Такая ДНК организована не в виде хромосом, а в виде мелких кольцеобразных структур, как у бактерий (сходство с организацией генома бактерий там прослеживается ещё по ряду признаков, вообще, считается, что нынешние митохондрии и пластиды - это бывшие бактерии, которые сначала существовали в эукариотической клетке на правах её симбионта, а со временем стали её частью), при этом в митохондии или пластиде может содержаться от 1 до нескольких десятков таких кольцеобразных ДНК.

В любой молекуле ДНК - линейной хромосоме или кольцевой из митохондрий или пластид - зашифрована информация о последовательности какого-то полипептида (упрощённо можно сказать, что белка, хотя это не совсем так, поскольку синтезированный белок, чтобы обрести свою функцию, после синтеза ещё "дозревает", при этом из молекулы могут ферментативно вырезаться какие-то участки белка, то есть та последовательность, которая зашифрована в ДНК, - это не редактированная последовательность исходного полипептида, из которого белок потом ещё будет формироваться с помощью некоторых химических преобразований). Так вот участок ДНК, с которого синтезируется какой-то конкретный полипептид, - это ген. В каждой хромосоме и в каждой кольцевой молекуле ДНК имеется разное количество генов: в Х-хромосоме человека (одна из самых крупных), к примеру, около 1500 генов, в Y-хромосоме человека их меньше сотни.

Также нужно понимать, что хромосома (либо кольцевая ДНК) - это отнюдь не только гены. Помимо них в любой молекуле ДНК есть и некодирующие участки, причём доля этих некодирующих участков различна у разных видов. Например у бактерий на некодирующую часть генома приходится где-то 20%, а у человека - 97-98%. Причём некодирующие участки есть и посреди генов (интроны) - когда информация с генов переписывается на м-РНК, участки РНК, синтезированные с интронов, вырезаются, и белок синтезируется уже с отредактированных молекул РНК. Но большая часть некодирующей ДНК сосредоточена между генами. Роль этой некодирующей ДНК не до конца изучена (тут, если нужно настолько подробно, можно глянуть в википедию), но считается, что совсем без неё клетка не может. Ну и мутации эта некодирующая часть накапливает гораздо быстрее, чем кодирующая, и поэтому в судебной медицине для идентификации личности используется некодирующая ДНК (поскольку гены - довольно консервативные участки ДНК, мутации в них тоже происходят, но не с такой частотой, чтобы там накапливалось достаточное количество нуклеотидных замен для достоверное идентификации двух индивидуумов).

Чтобы дальнейшее повествование было более ясным для читателя, рассмотрим сначала подробнее, как же устроена эта странная и загадочная молекула ДНК.

Итак, ДНК состоит из 4-х азотистых оснований, а также сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Два азотистых основания (сокращенно называемых Ц и Т) относятся к классу так называемых пиримидиновых основания, а два других (А и Г) — к пуриновым основаниям. Такое разделение связано с особенностями их структур, которые показаны на рис. 1.

Рис. 1 . Структура азотистых оснований (элементарных «букв»), из которых построена молекула ДНК

Отдельные основания связаны в цепочке ДНК сахаро-фосфатными связями. Эти связи изображены на следующем рисунке (рис. 2).

Рис. 2 . Химическая структура цепи ДНК

Все это известно уже довольно давно. Но детальное устройство молекулы ДНК стало понятно лишь спустя почти 90 лет после знаменитых работ Менделя и открытия Мишера. 25 апреля 1953 г. в английском журнале «Nature» было опубликовано небольшое письмо молодых и тогда еще мало известных ученых Джеймса Уотсона и Френсиса Крика редактору журнала. Оно начиналось словами: «Мы хотели бы предложить свои соображения по поводу структуры соли ДНК. Эта структура имеет новые свойства, которые представляют большой биологический интерес». Статья содержала всего около 900 слов, но — и это не преувеличение — каждое из них оказалось на вес золота.

А началось все так. В 1951 году на симпозиуме в Неаполе американец Джеймс Уотсон встретился с англичанином Морисом Уилкинсом. Конечно же, они тогда не могли себе даже представить, что в результате этой встречи они станут нобелевскими лауреатами. В то время Уилкинс со своей коллегой Розалиндой Франклин проводили в Кембриджском университете рентгеноструктурный анализ ДНК и определили, что молекула ДНК представляет собой, скорее всего, спираль. После разговора с Уилкинсом Уотсон «загорелся» и решил заняться исследованием структуры нуклеиновых кислот. Он перебрался в Кембридж, где познакомился с Френсисом Криком. Ученые решили совместными усилиями попытаться понять, как устроена ДНК. Работа началась не на пустом месте. Исследователи уже знали о существовании двух типов нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), знали и то, из чего они состоят. В их распоряжении были фотографии рентгеноструктурного анализа, полученные Р. Франклин. Кроме того, Эрвин Чаргафф сформулировал к тому времени очень важное правило, согласно которому в ДНК число А всегда равно числу Т, а число Г равно числу Ц. А далее сработала «игра ума». Результатом этой «игры» и стала статья в журнале «Nature», в которой Дж. Уотсон и Ф. Крик описали созданную ими теоретически модель строения молекулы ДНК. (Уотсону к этому времени еще не исполнилось и 25 лет, а Крику было 37). Согласно их «научной фантазии», основанной тем не менее на определенных твердо установленных фактах, молекула ДНК должна состоять из двух гигантских полимерных цепочек. Звенья каждого полимера состоят из нуклеотидов : углевода дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из 4 азотистых оснований (А, Г, Т или Ц). Последовательность звеньев в цепочке может быть любой, но эта последовательность строго связана с последовательностью звеньев в другой (парной) полимерной цепочке: напротив А должно быть Т, напротив Т должно быть А, напротив Ц должно быть Г, а напротив Г должно быть Ц (правило комплементарности ) (рис. 3).

Рис. 3 . Схема взаимодействия двух комплементарных цепей в молекуле ДНК

Две полимерные цепи закручены в правильную двойную спираль. Они удерживаются вместе посредством водородных связей между парами оснований (А — Т и Г — Ц) подобно ступенькам лестницы. По этой причине говорят, что две цепи ДНК комплементарны. Для природы это не удивительно. Известно множество примеров комплементарности. Комплементарны, например, древнекитайские символы «инь» и «янь», гнезда розетки и штырьки вилки.

Двойная спираль ДНК схематически изображена на рис. 4. Внешне она напоминает веревочную лестницу, завитую в правую спираль. Ступенями в этой лестнице являются пары нуклеотидов, а связывающие их «боковинки» состоят из сахаро-фосфатного остова.

Рис. 4 . Знаменитая двойная спираль ДНК а — Рентгенограмма ДНК, полученная Р. Франклин, которая помогла Уотсону и Крику найти ключ к двухспиральной структуре ДНК; б — Схематическое изображение двухспиральной молекулы ДНК

Так была открыта знаменитая «двойная спираль». Если последовательность звеньев (нуклеотидов) в ДНК рассматривать как ее первичную структуру, то двойная спираль — это уже вторичная структура ДНК. Предложенная Уотсоном и Криком модель «двойной спирали» изящно решала не только проблему кодирования информации, но и удвоения (репликации) гена.

В 1962 году Дж. Уотсон, Ф. Крик и Морис Уилкинс получили по достоинству за это достижение Нобелевскую премию. А ДНК была названа самой главной молекулой живой природы. Во всем этом, конечно же, сыграли свою роль точные сведения о строении ДНК, но не в меньшей мере и «провидческие» построения сложной пространственной структуры, что потребовало от исследователей не только логики, но и творческого воображения — качества, присущего художникам, писателям и поэтам. «Здесь, в Кембридже, произошло, быть может, самое выдающееся после книги Дарвина событие в биологии — Уотсон и Крик раскрыли структуру гена!» — писал в то время в Копенгаген Нильсу Бору его бывший ученик М. Дельбрюк. Известный испанский художник Сальвадор Дали после открытия двойной спирали сказал, что это для него явилось доказательством существования Бога, и изобразил ДНК на одной из своих картин.

Итак, интенсивный мозговой штурм, предпринятый учеными, завершился полным успехом! В историческом масштабе открытие структуры ДНК сопоставимо с открытием структуры атома. Если выяснение строения атома привело к появлению квантовой физики, то открытие структуры ДНК дало начало молекулярной биологии.

Каковыми же оказались главные физические параметры ДНК человека — этой главной его молекулы? Диаметр двойной спирали равен 2 нанометрам (1 нм = 10-9 м); расстояние между соседними парами оснований («ступеньками») составляет 0,34 нм; один поворот спирали состоит из 10 пар оснований. Последовательность пар нуклеотидов в ДНК нерегулярна, но сами пары уложены в молекуле как в кристалле. Это дало основание характеризовать молекулу ДНК как линейный апериодический кристалл. Число отдельных молекул ДНК в клетке равно числу хромосом. Длина такой молекулы в наибольшей по размеру хромосоме 1 человека составляет около 8 см. Подобных гигантских полимеров пока не выявлено ни в природе, ни среди искусственно синтезированных химических соединений. У человека длина всех молекул ДНК, содержащихся во всех хромосомах одной клетке, составляет примерно 2 метра. Следовательно, длина молекул ДНК в миллиард раз больше их толщины. Так как организм взрослого человека состоит примерно из 5х1013 — 1014 клеток, то общая длина всех молекул ДНК в организме равна 1011 км (это почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца). Вот такая она, суммарная ДНК всего лишь одного человека!

Когда говорят о размере генома, то подразумевают общее содержание ДНК в единичном наборе хромосом ядра. Такой набор хромосом называют гаплоидным. Дело в том, что большинство клеток нашего организма содержит двойной (диплоидный) набор совершенно одинаковых хромосом (только у мужчин 2 половые хромосомы отличаются). Измерения размера генома приводятся в дальтонах, парах нуклеотидов (п. н.) или пикограммах (пг). Соотношение между этими единицами измерения следующие: 1 пг = 10-9 мг = 0,6х1012 дальтон = 0,9х109 п. н. (далее мы будем использовать в основном п. н.). В гаплоидном геноме человека содержится около 3,2 млрд. п. н., что равно 3,5 пг ДНК. Таким образом, в ядре одной клетки человека содержится около 7 пг ДНК. Если учесть, что средний вес клетки человека равен примерно 1000 пг, то легко рассчитать, что ДНК составляет менее 1 % от веса клетки. И тем не менее, чтобы воспроизвести самым мелким шрифтом (как в телефонных справочниках) ту огромную информацию, которая содержится в молекулах ДНК одной нашей клетки, понадобилось бы тысяча книг по 1000 страниц в каждой! Вот таков полный размер генома человека — Энциклопедии, написанной четырьмя буквами.

Но не следует думать, что геном человека наибольший из всех существующих в природе. Например, у саламандры и лилии длина молекул ДНК, содержащихся в одной клетке, в тридцать раз больше, чем у человека.

Поскольку молекулы ДНК имеют гигантский размер, их можно выделить и увидеть даже в домашних условиях. Вот как описывается эта простая процедура в рекомендации для кружка «Юный генетик». Во-первых, надо взять любые ткани животных или растительных организмов (например, яблоко или кусок курицы). Затем надо нарезать ткань на кусочки и положить 100 г в обычный миксер. После добавления 1/8 чайной ложки соли и 200 мл холодной воды вся смесь взбивается на миксере в течение 15 секунд. Далее взбитая смесь процеживается через ситечко. В полученную мякоть надо добавить 1/6 от ее количества (это будет примерно 2 столовые ложки) моющего средства (для посуды, например) и хорошо размешать. Через 5-10 минут жидкость разливается по пробиркам или любым другим стеклянным емкостям, чтобы в каждой из них было заполнено не больше трети объема. Затем к ней добавляется по чуть-чуть либо сок, выжатый из ананаса, либо раствор, используемый для хранения контактных линз. Все содержимое встряхивается. Делать это надо весьма осторожно, так как если трясти слишком сильно, то гигантские молекулы ДНК поломаются и после этого ничего нельзя будет увидеть глазами. Далее в пробирку медленно вливается равный объем этилового спирта, чтобы он образовал слой поверх смеси. Если после этого покрутить в пробирке стеклянной палочкой, на нее «намотается» вязкая и почти бесцветная масса, которая и представляет собой препарат ДНК.

| |
Днк — молекулярная основа генома Генетическая грамматика