Нуклеиновые кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нуклеиновые кислоты

Оглавление

Введение

1. История изучения нуклеиновых кислот

2. Строение ДНК

3. Биосинтез ДНК

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Генная инженерия - направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств.

В основе генной инженерии лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот. К этим достижениям следует отнести установление универсальности генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты.

Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования.

1. История изучения нуклеиновых кислот

Сегодня почти каждый знает, что такое ДНК и зачем она нужна, но так было, естественно не всегда. Люди, изучая наследование признаков, не знали, какое именно вещество несет информацию.

Впервые ДНК была выделена в 1869 году Фридрихом Мишером, но этому веществу не было придано должного значения. В 1928 году Грифитс проводил опыты на пневмококке и пришел к странным выводам: он обнаружил, что непатогенных бактерий можно превратить в патогенных посредством введения какого-то вещества, которое содержится в клетках и его можно оттуда извлечь. Решение этому курьезу было найдено только через 15 лет.

В то время, когда на планете бушевала вторая мировая война, и на полях ее сражений решались судьбы человеческой цивилизации, в тиши лабораторий Эвери и Мак Карти решали судьбу самого человечества. Естественно, они об этом даже не подозревали. Но именно ими тогда было показано, что полимерными молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты, т. е. химически очищенным веществом, впервые полученным еще в конце прошлого столетия Мишером, можно передавать наследственные признаки. Вещество является материальным носителем наследственности.

Тогда это было сделано на микроорганизмах. Но иллюзий, что такое возможно только для них, уже не питал никто. И когда Уотсон и Крик выбрали для расшифровки пространственной структуры именно ДНК - они знали что делали.

В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали пространственную модель молекулы ДНК (показать модель). За эту самую модель они получили Нобелевскую премию. В чем важность этого открытия и что оно за собой повлекло?

Данное открытие дало возможность развиваться генной инженерии в качестве самостоятельного раздела науки. Оно заключено в следующем:

Была открыта двойная структура ДНК и постулирован её матричный синтез. Двойная спираль ДНК при репликации разделится и вдоль нити ДНК, специальные ферменты-полимеры, собирают точные копии материнской ДНК, таким образом, в клетке перед делением две совершенно одинаковые молекулы ДНК, одна из которых после деления клетки попадает в дочернюю клетку. Таким образом, дочерняя клетка несет ту же самую информацию, что и материнская, следовательно, выполняет те же самые функции. Итак, в клетках живого организма возможен особый тип реакции - матричный синтез. Одна молекула - матрица, а вторая строится по её программе. Репликация ДНК синтез всех видов РНК и сборка молекул белка, в соответствии со структурой и -РНК - это все варианты матричного синтеза, который происходит всегда при участии нуклеиновых кислот.

По тому же самому механизму осуществляется сборка РНК, только не двух спиралей, а одной. Этот процесс получил название - транскрипция. Поток информации в клетке обеспечивает реакции матричного синтеза: репликация ДНК (необходима для передачи наследственной информации дочерним клеткам), транскрипция (синтез и-РНК в ядре клетки) и трансляция (сборка белковой цепи на и-РНК при помощи рибосомы).

Казалось бы, что на рубеже 70-х годов молекулярная биология достигла определённой степени завершенности: были установлены структура и механизм репликации ДНК, провозглашена «центральная догма» экспрессии гена (транскрипция и трансляция), выявлены основные аспекты регуляции активности гена. В этот период главным объектом молекулярно-генетических исследований были микроорганизмы. Переход к эукариотам (включая человека) встретился с дополнительными проблемами и трудностями, и кроме того, существовавшие в то время методы не позволяли рассчитывать на получение принципиально новых результатов.

Стремительный порыв в развитии молекулярной генетики в начале 70-х годов стал благодаря появлению нового экспериментального инструмента - рестриктационных эндонуклеаз. Был открыт путь для широкомасштабного получения генных продуктов (физически значимых белков) и для генетического манипулирования с различными организмами. Наши знания о структуре генетического материала и эукариот, в разных областях таких: как действие гена, популяционная генетика, эволюция и генетическая консультация, включая пренатальную диагностику. Достигнутые успехи заставили ученых задуматься об этической стороне манипулирования с человеческим зародышем, об возникновения возбудителей различных болезней в процессе генно-инженерных исследований. Многие из этих вопросов были подняты самими учеными активно работающих в данной области. В настоящее время большинство исследователей считали, что опасения касающиеся, генной инженерии, не имеют достаточно оснований, но многие этические проблемы остаются нерешенными и продолжают возникать новые.

2. Строение ДНК

Нуклеиновые кислоты являются высокомолекулярными нерегулярными полимерами. Что это значит? Каков их элементарный состав? (C, H, O, N, P) Их мономеры - нуклеотиды - сложные вещества, состоящие из:

- азотистого основания;

- углевода;

- остатка фосфорной кислоты.

Какой углевод входит в состав ДНК и РНК? Сколько атомов углерода в нем?

Мономеры соединяются между собой через пентозу в С3 положении и остаток фосфорной кислоты с помощью фосфорной диэфирной связи. Азотистое основание - пентоза (у РНК - рибоза, у ДНК - дезоксирибоза) - остаток фосфорной кислоты.

В природе существует всего 5 типов нуклеотидов, т.е. всего 5 типов азотистых оснований входит в состав нуклеиновых кислот. В ДНК это аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). В РНК вместо тимин - урацил (У). Основания принято обозначать первой буквой их названия.

Основания способны соединяться попарно А-Т (У), Г-Ц.

Они комплементарные, т.е. дополняют друг друга. А-Т связаны двумя водородными связями, а Г-Ц - тремя.

Нуклеиновые кислоты подобно белкам имеют первичную структуру - последовательность нуклеотидов. Расположение нуклеотидов важно, так как задает последовательность аминокислот в кодируемых белках. Вторичную структуру - две комплементарные цепи, и третичную - пространственную структуру, которую и установили Уотсон и Крик.

Структура ДНК - двухцепочная правозакрученная спираль, один виток которой -10 нуклеотидов, а расстояние между нуклеотидами 0.34 нм. Цепи направлены в противоположные стороны - антипараллельны.

ДНК - уникальнейшие молекулы в природе, благодаря которым возможно хранение, передача, и воспроизведение наследственной информации в разных поколениях клеток, организмов, видов и т.д.

Перед делением ДНК должно удвоиться, для того чтобы каждая клетка получила точно такую же генетическую информацию, какая была в исходной клетке. В какой фазе клеточного цикла это происходит?

Две цепи исходной молекулы расходятся, потому что разрываются слабые водородные связи между азотистыми основаниями. Каждая цепочка служит матрицей для новой (нарисовать на доске). Сборка идет по принципу комплиментарности А-Т, Г-Ц. Такой способ называется полуконсервативным.

Информация, хранящаяся в ДНК должна реализоваться в виде белков. Для этого служит РНК - переносит информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. от хромосом к месту синтеза белков и участвует в синтезе.

Существует три типа РНК - это информационная (матричная) и-РНК, транспортная т-РНК и рибосомная р-РНК.

Все три типа синтезируются непосредственно на ДНК.

Условия, которым должен соответствовать ген человека:

1) соответствующие фрагменты ДНК должны быть идентифицированы однозначно;

2) они должны быть выделены и накоплены в количестве, должностном для биохимического анализа;

3) должна быть определена вся нуклеотидная последовательность.

нуклеотид биополимер генный инженерия

3. Биосинтез ДНК

Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей организации зависит от генетической информации, которая сохраняется в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК - это вещество, из которого состоят гены. Размножение живых организмов, передача наследственных свойств из поколения в поколение и развитие многоклеточного организма из оплодотворенной яйцеклетки возможны потому, что ДНК способна к самовоспроизведению. Сам процесс самовоспроизведения ДНК называется репликацией. Иногда используют также название-синоним - редупликация.

Матричный синтез ДНК. Как известно, генетическая информация записана в цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех гетероциклических оснований: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году модель строения ДНК в форме регулярной двойной спирали сразу же позволила понять принцип удвоения ДНК. Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, так как каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности другой цепи. Это соответствие достигается благодаря наличию водородных связей между направленными навстречу друг другу основаниями двух цепей - попарно G и C или A и T.

Описывая это свойство двойной спирали, молекулярные биологи говорят, что цепи ДНК комплементарны за счет образования уотсон-криковских пар GРC и AРT. Поскольку две цепи имеют противоположную направленность, их называют антипараллельными. Легко представить, что удвоение ДНК происходит вследствие того, что цепи расходятся, а потом каждая цепь служит матрицей, на которой собирается комплементарная ей новая цепь ДНК‚ результате образуются две дочерние, двуспиральные, неотличимые по строению от родительской ДНК молекулы. Каждая из них состоит из одной цепи исходной родительской молекулы ДНК и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации ДНК, при котором от одного поколения к другому передается одна из двух цепей, составляющих родительскую молекулу ДНК, получил название полуконсервативного и был экспериментально доказан в 1958 году М. Мезельсоном и Ф. Сталь.

Кроме того, синтезу ДНК характерны такие свойства, как антипараллельность и униполярность. Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию. Один конец несет гидроксильную группу (ОН), присоединенную к 3-углероду в сахаре дезоксирибозе, на другом конце цепи находится остаток фосфорной кислоты в 5-положении сахара. Две комплементарные цепи в молекуле ДНК ориентированы в противоположных направлениях - антипараллельно (при параллельной ориентации напротив 3-конца одной цепи находился бы 3-конец другой). Ферменты, синтезирующие новые нити ДНК, называемые ДНК-полимеразами, могут передвигаться вдоль матричных цепей лишь в одном направлении - от их 3-концов к 5-концам. При этом синтез комплементарных нитей всегда ведется в 5 3 направлении, то есть униполярно. Поэтому в процессе репликации одновременный синтез новых цепей идет антипараллельно. ДНК-полимеразы могут давать «задний ход», то есть двигаться в направлении 3 5. В том случае, когда последнее добавленное при синтезе нуклеотидное звено оказалось некомплементарным нуклеотиду матричной цепи, оно будет замещено комплементарным нуклеотидом. Отщепив «неправильный» нуклеотид, ДНК-полимераза продолжает синтез в 5 3 направлении. Такая способность к исправлению ошибок получила название корректорской функции фермента.

ДНК-полимеразы. В 1957 году А. Корнберг обнаружил у кишечной палочки фермент, катализирующий процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов; он был назван ДНК-полимеразой. Затем ДНК-полимеразы выявили и в других организмах. Было показано, что субстратами всех этих ферментов служат дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), полимеризующиеся на одноцепочечной ДНК-матрице. ДНК-полимеразы последовательно наращивают одноцепочечную цепь ДНК, шаг за шагом присоединяя к ней следующие звенья в направлении от 5- к 3-концу, причем выбор очередного дНТФ диктуется матрицей. Присоединение каждого нового нуклеотидного остатка к 3-концу растущей цепи сопровождается гидролизом богатой энергией связи между первым и вторым фосфатными остатками в дНТФ и отщеплением пирофосфата, что делает реакцию в целом энергетически выгодной. В клетках обычно присутствует несколько типов ДНК-полимераз, выполняющих различные функции и имеющих разное строение: они могут быть построены из различного количества белковых цепей (субъединиц), от одной до десятков. Однако все они работают на любых последовательностях нуклеотидов матрицы; задача этих ферментов - сделать точную копию каждой матрицы.

Точность синтеза ДНК и механизм коррекции. Генетический материал живых организмов имеет огромные размеры и реплицируется с высокой точностью. В среднем в процессе воспроизведения генома млекопитающего, состоящего из ДНК длиной 3 млрд пар нуклеотидов, возникает не более трех ошибок. При этом ДНК синтезируется чрезвычайно быстро (скорость ее полимеризации колеблется в пределах от 500 нуклеотидов/с у бактерий до 50 нуклеотидов/с у млекопитающих). Высокая точность репликации, наряду с ее высокой скоростью, обеспечивается наличием специальных механизмов, осуществляющих коррекцию, то есть устраняющих ошибки. Суть механизма коррекции заключается в том, что ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз перед включением его в состав растущей цепи и второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид. Очередная фосфодиэфирная связь синтезируется лишь в том случае, если последний (3-концевой) нуклеотид растущей цепи ДНК образовал правильную уотсон-криковскую пару с соответствующим нуклеотидом матрицы. Если же на предыдущей стадии реакции произошло ошибочное спаривание оснований, то дальнейшая полимеризация останавливается до тех пор, пока ошибка не будет исправлена. Для этого фермент перемещается в обратном направлении и вырезает последнее добавленное звено, после чего его место может занять правильный нуклеотидпредшественник. Иными словами, многие (но не все) ДНК-полимеразы обладают, помимо 5-3-синтетической активности, еще и 3-гидролизующей активностью, которая обеспечивает удаление ошибочно спаренных с матрицей нуклеотидов.

Точность синтеза ДНК и механизм коррекции. 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». В случае репликации кольцевых бактериальных ДНК этой проблемы не существует, так как первые по времени образования РНК-затравки удаляются ферментом, который одновременно заполняет образующуюся брешь путем наращивания 3-ОН-конца растущей цепи ДНК, направленной в «хвост» удаляемому праймеру. Проблема недорепликации 3-концов линейных молекул ДНК решается эукариотическими клетками с помощью специального фермента - теломеразы.

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 одно или 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.

Прерывистый синтез ДНК. Легко вообразить, что репликация происходит путем непрерывного роста нуклеотида за нуклеотидом обеих новых цепей по мере перемещения репликационной вилки; при этом, поскольку две цепи в спирали ДНК антипараллельны, одна из дочерних цепей должна была бы расти в направлении 5-3, а другая в направлении 3-5. В действительности, однако, оказалось, что дочерние цепи растут только в направлении 5-3, то есть всегда удлиняется 3-конец затравки, а матрица считывается ДНК-полимеразой в направлении 3-5. Это утверждение на первый взгляд кажется несовместимым с движением репликационной вилки в одном направлении, сопровождающемся одновременным считыванием двух антипараллельных нитей. Разгадка секрета заключается в том, что синтез ДНК происходит непрерывно только на одной из матричной цепей. На второй матричной цепи ДНК синтезируется сравнительно короткими фрагментами (длиной от 100до 1000 нуклеотидов, в зависимости от вида), названными по имени обнаружившего их ученого фрагментами Оказаки). Вновь образованная цепь, которая синтезируется непрерывно, называется ведущей, а другая, собираемая из фрагментов Оказаки, отстающей. Синтез каждого из этих фрагментов начинается с РНК-затравки. Через некоторое время РНК-затравки удаляются, бреши застраиваются ДНК-полимеразой и фрагменты сшиваются в одну непрерывную цепь ДНК специальным ферментом.

Заключение

В заключение сказанного можно подвести итоги, сформулировать выводы.

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869г. швейцарским врачом Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя. Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены во всех растительных и животных клетках, бактериях, протистах, грибах и вирусах. Они играют центральную роль в хранении и передаче наследственной информации о свойствах организма.

В природе существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые, или ДНК, и рибонуклеиновые, или РНК. Молекула ДНК содержит сахар дезоксирибозу, а молекула РНК - рибозу.

В настоящее время известны хромосомальная и внехромосомальная ДНК и рибосомальная, информационная и транспортная РНК, которые участвуют в синтезе белка. ДНК включает множество генов, определяющих различия в метаболизме. Например, ДНК бактериальной клетки кишечной палочки содержит несколько тысяч различных генов, а у животных и растений - много больше, причем каждый вид организмов имеет характерный только для него набор генов. Однако многие гены - общие для всех организмов, что подтверждает общность происхождения живых существ.

Примерно 99% всей ДНК находится в хромосомах клеточного ядра, кроме того, ДНК имеется в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав ядрышек клеточного ядра, а также содержится в рибосомах, митохондриях, пластидах и цитоплазме.

Молекула ДНК состоит из двух правозакрученных спиральных цепочек полинуклеотидов. Недавно была открыта левозакрученная ДНК. РНК состоит из одной спирально закрученной полинуклеотидной цепочки. Полинуклеотидная цепь ДНК состоит из нуклеотидов.

Список использованной литературы

1. Дымшиц Г.М. Проблема репликации концов линейных молекул и теломераза. Соросовский образовательный журнал, 2000г.

2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. Акад. РАН М.Ф.Жукова. - Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997.

3. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Учебное пособие. - Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА». 1998.

4. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М.: Агар, 1996.

5. Основы естественнонаучных знаний для юристов. Учебник для вузов по курсу «Концепции современного естествознания» под ред. д.ю.н., Росинской Е.Р. -М: Издательская группа - НОРМА-ИНФА, 1999.

6. Потеев М.И. Концепции современного естествознания. М.: Спб «Издат. Питер». 1999.

7. Фаворова О.О. Сохранение ДНК в ряду популяций: репликация ДНК. Соросовский образовательный журнал, 1996.

Размещено на Allbest.ru