Двойная спираль ДНК

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«НИЖЕГОРОДСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО»

ФИНАНСОВЫЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 
 
 
 

РЕФЕРАТ

По  дисциплине: 
 

«Концепции  современного естествознания»

на тему:

“ Двойная спираль  ДНК ” 
 

                                              Выполнил:

 

подпись

 

Проверил:

 

подпись

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нижний  Новгород

200__ г.

Содержание:

Введение……………………………………………………………………….3 – 4

 

Глава 1. Структура и функции ДНК

1. Общая структура ДНК…………………………………………………4 – 7
2. Функции ДНК…………………………………………………………........8

 

Глава 2. Двойная спираль ДНК

2.1. Инициация цепей ДНК……………………………………………….....8 – 10

2.2. Расплетание двойной спирали ДНК………………………………….10 – 12

2.3. Кооперативное действие белков репликационной вилки…………...12 – 13

 

Заключение………………………………………………………………….13 – 15

 

Список используемой литературы……………………………………………...15

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

       Наследуемые признаки заложены в материальных единицах, генах, которые располагаются в  хромосомах клеточного ядра. Химическая природа генов известна с 1944г.: речь идет о дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

       Физическая  структура была выяснена в 1953 г. Двойная  спираль этой макромолекулы объясняет  механизм наследственной передачи признаков.

       Присматриваясь  к окружающему нас миру, мы отмечаем великое разнообразие живых существ – от растений до животных. Под этим кажущимся разнообразием в действительности скрывается удивительное единство живых клеток – элементов, из которых собран любой организм и взаимодействием которых определяется его гармоничное существование. С позиции вида сходство между отдельными особями велико, и все-таки не существует двух абсолютно идентичных организмов (не считая однояйцовых близнецов). В конце XIX века в работах Грегора Менделя были сформулированы основные законы, определившие наследственную передачу признаков из поколения в поколение. В начале ХХ века в опытах Т.Моргана было показано, что элементарные наследуемые признаки обусловлены материальными единицами (генами), локализованными в хромосомах, где они располагаются последовательно друг за другом.

       В 1944 г. работы Эвери, Мак-Леода и Мак-Карти  определили химическую природу генов: они состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Через 10 лет Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель физической структуры молекулы ДНК. Длинная молекула образована двойной спиралью, а комплиментарное взаимодействие между двумя нитями этой спирали позволяет понять, каким образом генетическая информация точно копируется (реплицируется) и передается последующим поколениям.

       Одновременно с этими открытиями ученые пытались проанализировать и «продукты» генов, т.е. те молекулы, которые синтезируются в клетках под их контролем. Работы Эфрусси, Бидла и Татума накануне второй мировой войны выдвинули идею о том, что гены «продуцируют» белки. В конце концов, во многом благодаря трудам Ниренберга (США), был открыт закон соответствия между ДНК и белками – генетический код.¹

 

Глава 1. Структура и функции ДНК

1.1. Общая структура  ДНК

       Еще в 1869 году швейцарский биохимик Фридрих  Мишер обнаружил в ядре клеток соединения с кислотными свойствами и с еще большей молекулярной массой, чем белки. Альтман назвал их нуклеиновыми кислотами, от латинского слова «нуклеус» - ядро. Так же, как и белки, нуклеиновые кислоты являются полимерами. Мономерами их служат нуклеотиды, в связи с чем нуклеиновые кислоты можно еще назвать полинуклеотидами.

       Нуклеиновые кислоты были найдены в клетках  всех организмов, начиная от простейших и кончая высшими. Самое удивительное, что химический состав, структура  и основные свойства этих веществ оказались сходными у разнообразных живых организмов. Но если в построении белков принимают участие около 20 видов аминокислот, то разных нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, всего четыре.

       В живых клетках содержится два  типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Как ДНК, так и РНК несут в себе нуклеотиды, состоящие из трех компонентов: азотистого основания, углевода, остатка фосфорной кислоты. Однако комбинация этих компонентов в ДНК и РНК несколько различны.

       Фосфорная кислота в молекулах ДНК и  РНК одинакова. Углевод же имеется  в двух вариантах: у нуклеотидов  ДНК – дезоксирибоза, а у нуклеотидов  РНК – рибоза. И рибоза, и дезоксирибоза  – пятичленные, пятиуглеродистые соединения – пентозы. У дезоксирибозы, в отличие от рибозы, лишь на один атом кислорода меньше, что и определяет ее название, так как дезоксирибоза в переводе с латинского означает лишенная кислорода рибоза. Строгая локализация дезоксирибозы в ДНК, а рибозы в РНК, как раз и определяет название этих двух видов нуклеиновых кислот.²

        Третий компонент  нуклеотидов ДНК и РНК –  азотистые соединения, то есть вещества, содержащие азот и обладающие щелочными  свойствами. В нуклеиновые кислоты  входят две группы азотистых оснований. Одни из них относятся к группе пиримидинов, основу строения которых составляет шестичленное кольцо, а другие к группе пуринов, у которых к пиримидинову кольцу присоединено еще и пятичленное кольцо.

       В состав молекул ДНК и РНК входят два разных пурина и два разных пиримидина. В ДНК имеются пурины – аденин, гуанин и пиримидины – цитозин, тимин. В молекулах РНК те же самые пурины, но из пиримидинов – цитозин и вместо тимина – урацил. В зависимости от содержания того или иного азотистого основания нуклеотиды называются адениловыми, тимиловыми, цитозиловыми, урациловыми, гуаниловыми.

       Как же соединяются между собой нуклеотиды в длинные полинуклеотидные цепи? Оказывается, что такое соединение осуществляется путем установления связи между остатком молекулы фосфорной  кислоты одного нуклеотида и углеводом другого. Образуется сахаро-фосфорный скелет молекулы полинуклеотида, к которому сбоку один за другим присоединяются азотистые основания.

       Последовательность  расположения нуклеотидов в цепях  молекул нуклеиновых кислот так  же, как и аминокислот в молекулах белков, строго специфична для клеток разных организмов, то есть носит видовой характер.

       ДНК представляет собой двойную спираль. Полинуклеидные цепи достигают гигантских размеров. Вполне понятно, что в связи с этим они так же, как и белки, определенным образом упакованы в клетке.

       Модель  структуры молекулы ДНК впервые  создали биохимики из Кембриджского университета в Англии Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Было показано, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой, с образованием двойной спирали. Причем контакты существуют между обеими полинуклеотидными цепями, точнее,

       

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

между пурином одного нуклеотида и пиримидином  другого. Так что внешне молекулу ДНК можно представить как своего рода перекрученную веревочную лестницу.

       Образование связей в молекуле ДНК – процесс  строго закономерный.

       Адениловый  нуклеотид может образовывать связи  лишь с тимиловым, а гуаниловый только с цитозиловым. Эта закономерность получила название принципа комплиментарности, то есть дополнительности. В самом деле, такая строгая последовательность в выборе пары наводит на мысль, что в двойной молекуле ДНК аденин как бы дополняет тимин и наоборот, а гуанин соответственно – цитозин, как две половинки разбитого зеркала.

       Принцип комплиментарности позволяет понять механизм уникального свойства молекул ДНК – их способность самовоспроизводиться. ДНК – это единственное вещество в живых клетках, обладающее подобным свойством.

       Процесс самовоспроизведения молекул ДНК  происходит при активном участии ферментов. Особые расплетающие белки последовательно как бы проходят вдоль системы водородных связей, соединяющих азотистые основания обеих полинуклеотидных цепей, и разрывают их. Образовавшиеся в результате одиночные полинуклеотидные цепи ДНК достраиваются согласно принципу комплиментарности с помощью фермента за счет свободных нуклеотидов, всегда находящихся в цитоплазме и ядре. Напротив гуанилового нуклеотида становится свободный цитозиловый нуклеотид, а напротив цитозилового, в свою очередь, гуаниловый и так далее. Во вновь образовавшейся цепи возникают углеводно-фосфатные и водородные связи. Таким образом, в ходе самовоспроизведения ДНК из одной молекулы синтезируются две новые.

       ДНК в клетке локализована в основном в ядре, в его структурных компонентах – хромосомах.³

 
 
 

1.2. Функции ДНК

       В молекуле ДНК с помощью биологического кода зашифрована последовательность аминокислот в пептидах. Каждая аминокислота кодируется сочетанием трех нуклеотидов, в этом случае образуется 64 триплета, из которых 61 кодируют аминокислоты, а 3 являются бессмысленными и выполняют функцию знаков препинания (АТТ, АЦТ, АТЦ). Шифрование одной аминокислоты несколькими триплетами получило название как вырожденность триплетного кода. Важными свойствами генетического кода является его специфичность (каждый триплет способен кодировать только одну аминокислоту), универсальность (свидетельствует о единстве происхождения всего живого на Земле) и неперекрываемость кодонов при считывании. ДНК выполняет следующие функции:

- хранение наследственной информации происходит с помощью гистонов. Молекула ДНК сворачивается, образуя вначале нуклеосому, а после гетерохроматин, из которого состоят хромосомы;

- передача наследственного материала происходит путем репликации ДНК;

- реализация наследственной информации в процессе синтеза белка.⁴

 
 

Глава 2. Двойная спираль ДНК

2.1. Инициация цепей  ДНК

      ДНК-полимеразы не могут начинать синтеза ДНК  на матрице, а способны только добавлять  новые дезоксирибонуклеотидные  звенья к 3'-концу уже имеющейся  полинуклеотидной цепи. Такую заранее образованную цепь, к которой добавляются нуклеотиды, называют затравкой. Короткую РНК- затравку синтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов фермент, не обладающий корректирующей активностью и называемый ДНК-праймазой (от англ. primer - затравка). Праймазная активность может принадлежать либо отдельному ферменту, либо одной из субъединиц ДНК-полимеразы. Затравка, синтезированная этим неточным ферментом, не умеющим исправлять ошибки, отличается от остальной новосинтезированной цепи ДНК, поскольку состоит из рибонуклеотидов, и далее может быть удалена.

      Размер  рибонуклеотидной затравки невелик (менее 20 нуклеотидов) в сравнении с размером цепи ДНК, образуемой ДНК-полимеразой. Выполнившая свою функцию

      РНК-затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при этом брешь заделывается ДНК-полимеразой, использующей в качестве затравки 3'-ОН-конец соседнего фрагмента Оказаки. Удаление крайних РНК-праймеров, комплементарных 3'-концам обеих цепей линейной материнской молекулы ДНК, приводит к тому, что дочерние цепи оказываются короче на 10-20 нуклеотидов(у разных видов размер РНК-затравок различен). В этом заключается так называемая "проблема недорепликации концов линейных молекул". Проблема недорепликации 3'-концов линейных молекул ДНК решается эукариотическими клетками с помощью специального фермента - теломеразы. Теломераза является ДНК-полимеразой, достраивающей 3'-концы линейных молекул ДНК хромосом короткими (6-8 нуклеотидов) повторяющимися последовательностями (у позвоночных TTAGGG). Согласно номенклатуре, этот фермент называют ДНК- уклеотидилэкзотрансферазой или теломерной терминальной трансферазой. Помимо белковой части теломераза содержит РНК, выполняющую роль матрицы для наращивания ДНК повторами. Длина теломеразной РНК колеблется от 150 нуклеотидов у простейших до 1400 нуклеотидов у дрожжей, у человека - 450 нуклеотидов. Сам факт наличия в молекуле РНК последовательности, по которой идет матричный синтез куска ДНК, позволяет отнести теломеразу к своеобразной обратной транскриптазе, то есть ферменту, способному вести синтез ДНК по матрице РНК.

      В результате того, что после каждой репликации дочерние цепи ДНК оказываются короче материнских на размер первого РНК-праймера (10-20 нуклеотидов), образуются выступающие однонитевые 3'-концы материнских цепей. Они-то и узнаются теломеразой, которая последовательно наращивает материнские цепи (у человека на сотни повторов), используя 3'-ОН-концы их в качестве затравок, а РНК, входящую в состав фермента, в качестве матрицы.

      Образующиеся  длинные одноцепочечные концы, в  свою очередь, служат матрицами для  синтеза дочерних цепей по традиционному репликативному механизму.

      Постепенное укорочение ДНК хромосом во время  репликации является одной из теорий "старения" клеточных колоний. Еще в 1971 году отечественный ученый А.М. Оловников в своей теории маргинотомии (от лат. marginalis -краевой, tome - сечение) предположил, что это явление лежит в основе ограниченного потенциала удвоения, наблюдаемого у нормальных соматических клеток, растущих в культуре in vitro, так называемого "лимита Хейфлика".

      Американский  ученый Леонард Хейфлик в начале 60-х годов показал, что если для культивирования взять клетки новорожденных детей, то они могут пройти 80-90 делений, в то время как соматические клетки от 70-летних делятся только 20- 30 раз. Ограничение на число клеточных делений и называют лимитом Хейфлика.⁵

 

2.2. Расплетание двойной  спирали ДНК

      Поскольку синтез ДНК происходит на одноцепочечной матрице, ему должно предшествовать обязательное разделение (хотя бы на время) двух цепей ДНК.

      Исследования, проведенные в начале 60-х годов  на реплицирующихся хромосомах, выявили особую, четко ограниченную область репликации, перемещающуюся вдоль родительской спирали ДНК и характеризующуюся местным расхождением двух ее цепей. Эта активная область из-за своей Y-образной формы была названа репликационной вилкой. Именно в ней ДНК-полимеразы синтезируют дочерние молекулы ДНК. С помощью электронной микроскопии реплицирующейся ДНК удалосьустановить, что область, которая уже реплицирована, имеет вид глазка внутри нереплицировавшейся ДНК. Важно отметить, что репликационный глазок образуется только в тех местах молекулы, где находятся специфические нуклеотидные последовательности. Эти последовательности, получившие название точек начала репликации, состоят приблизительно из 300 нуклеотидов. В зависимости от того, в одном или в двух направлениях происходит репликация (а это зависит от природы организма), глазок содержит одну или две репликационные вилки.

      Последовательное  движение репликационной вилки приводит к расширению глазка.

      Двойная спираль ДНК весьма стабильна; для  того чтобы она раскрылась, необходимы особые белки. Специальные ферменты ДНК-хеликазы быстро движутся по одиночной цепи ДНК, используя для перемещения энергию гидролиза ATФ.

      Встречая  на пути участок двойной спирали, они разрывают водородные связи  между основаниями, разделяют цепи и продвигают репликационную вилку. Вслед за этим с одиночными цепями ДНК связываются специальные дестабилизирующие спираль белки, которые не позволяют одиночным цепям ДНК сомкнуться. При этом они не закрывают оснований ДНК, оставляя их доступными для спаривания.

      Не  следует забывать, что комплементарные  цепи ДНК закручены друг вокруг друга  в спираль. Следовательно, для того чтобы репликационная вилка могла  продвигаться вперед, вся еще не удвоенная часть ДНК должна была бы очень быстро вращаться. Эта топологическая проблема решается путем образования в спирали своего рода "шарниров", позволяющих цепям ДНК раскрутиться.

      Принадлежащие к особому классу белки, называемые ДНК-топоизомеразами, вносят в цепь ДНК одноили двухцепочечные разрывы, позволяющие цепям ДНК разделиться, а затем заделывают эти разрывы. Топоизомеразы участвуют также в расцеплении зацепленных двухцепочечных колец, образующихся при репликации кольцевых двунитевых ДНК. С помощью этих важных ферментов двойная спираль

      ДНК в клетке может принимать "недокрученную" форму с меньшим числом витков; в такой ДНК легче происходит расхождение двух цепей ДНК в репликационной вилке.

 

2.3. Кооперативное действие белков репликационной вилки

      До  сих пор мы говорили об участии  отдельных белков в репликации так, как будто бы они работают независимо друг от друга. Между тем в действительности большая часть этих белков объединена в крупный комплекс, который быстро движется вдоль ДНК и согласованно осуществляет процесс репликации с высокой точностью. Этот комплекс сравнивают с крошечной"швейной машиной" : "деталями" его служат отдельные белки, а источником энергии - реакция гидролиза нуклеозидтрифос фатов. Спираль расплетается ДНК- хеликазой; этому процессу помогают ДНК- топоизомераза, раскручивающая цепиДНК, и множество молекул дестабилизирующего белка, связывающихся с обеими одиночными цепями ДНК. В области вилки действуют две ДНК-полимеразы - на ведущей и отстающей цепи. На ведущей цепи ДНК-полимераза работает непрерывно, а на отстающей фермент время от времени прерывает и вновь возобновляет свою работу, используя короткие РНК-затравки, синтезируемыеДНК-праймазой. Молекула ДНК-праймазы непосредственно связана с ДНК- хеликазой, образуя структуру, называемую праймосомой. Праймосома движется в направлении раскрывания репликационной вилки и по ходу движения синтезируетРНК-затравку для фрагментов Оказаки. В этом же направлении движется ДНК- полимераза ведущей цепи и, хотя на первый взгляд это трудно представить,ДНК-полимераза отстающей цепи. Для этого, как полагают, последня накладывает цепь ДНК, которая служит ей матрицей, саму на себя, что и обеспечивает разворот ДНК-полимеразы отстающей цепи на 180 градусов.

      Согласованное движение двух ДНК-полимераз обеспечивает координированную репликацию обеих  нитей. Таким образом, в репликационной вилке одновременно работают около двадцати разных белков (из которых мы назвали только часть), осуществляя сложный, высокоупорядоченный и энергоемкий процесс.⁶

 

Заключение.

       Изучение  генетики человека, несмотря на всю  сложность, важно не только с точки зрения науки. Трудно переоценить и прикладное значение проводимых исследований.

       Достижения  в этой области оказывают заметное влияние на другие отрасли наук о  человеке – медицину, психиатрию, психологию, педагогику.

       В частности, велика роль развивающейся генетики человека в решении проблем наследственных болезней. Современные данные свидетельствуют, что человеком наследуются многие болезни, такие, как несвертываемость крови, цветовая слепота, ряд психических заболеваний. Кроме того, генетика человека призвана решать и другие вопросы.

       Значение  развития генетики человека очевидно. Можно с полной уверенностью сказать, что, например, в молекулах ДНК  клеток человека запрограммирована  генетическая информация, контролирующая каждый миг нашей жизни. Это касается здоровья, нормального развития, продолжительности жизни, наследственных болезней, сердечно-сосудистых заболеваний, злокачественных опухолей, предрасположенности к тем или иным инфе6кционным заболеваниям, старости и даже смерти.

       Если выделить из ядра одной клетки человека все генетические молекулы ДНК и расположить их в линию одна за другой, то общая длина этой линии составит семь с половиной сантиметров. Такова биохимическая рабочая поверхность хромосом. Это сконцентрированное в молекулярной записи наследие веков прошедшей эволюции.

       Закономерности  генетики в большинстве случаев  носят универсальный характер. Они  одинаково важны для растений, для животных. Велико их значение и  для человека.

Выводы:

       Процесс репликации ДНК согласован с клеточным делением и требуетсовместного действия многих белков. В нем участвуют:

       1. ДНК-хеликаза и дестабилизирующие  белки; они расплетают двойную  спираль родительской ДНК и  формируют репликационную вилку.

       2. ДНК-полимеразы, которые катализируют  синтез полинуклеотидной цепи ДНК в направлении 3'-5, копируя в репликационной вилке матрицу с высокой степенью точности. Поскольку две цепи двойной спирали ДНК антипараллельны, в направлении 5'-3' непрерывно синтезируется лишь одна из двух цепей, ведущая; другая цепь, отстающа, синтезируется в виде коротких фрагментов

       Оказаки. ДНК-полимераза способна к исправлению  собственных ошибок, но не может  самостоятельно начать синтез новой  цепи.

       3. ДНК-праймаза, которая катализирует  короткие молекулы РНК-затравки.

       Впоследствии  фрагменты РНК удаляются - их заменяет ДНК.

       4.Теломераза, заканчивающая построение недорепликацированых 3'-концов линейных молекул ДНК.

       5. ДНК-топоизомеразы, помогающие решить  проблемы кручения и спутывания  спирали ДНК.

       6. Инициаторные белки, связывающиеся  в точке начала репликации и способствующие образованию нового репликационного глазка с одной или двумя вилками. В каждой из вилок вслед за инициаторными белками к расплетенной ДНК сначала присоединяется белковый комплекс, состоящий из ДНК-хеликазы и ДНК-праймазы (праймосома).

       Затем к праймосоме добавляются другие белки и возникает "репликационная машина", которая и осуществляет синтез ДНК.

 

Список используемой литературы

 

1. ГЕНЕТИКА  И НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ. Сборник статей. Г.34. Пер. с франц. М.: Мир. 1987 г.
2. ОБЩАЯ ГЕНЕТИКА. Алихонян С. И. И др. М.: Высшая школа. 1985 г.
3. З.А. Шабарова и А.А. Богданов – Химия нуклеиновых кислот и их полимеров.
4. О. О. Фаворова. Сохранение ДНК в ряду популяций: репликация ДНК. Соросовский образовательный журнал, 1996 г.