Жизнь молекул ДНК

Жизнь ДНК (дезоксирибонуклеиновых кислот)

Определение понятия "ДНК"

 Ген - это совокупность сегментов ДНК, обуславливающих образование либо молекулы РНК, либо белкового продукта (Сингер М., Берг П., 1998).

У человека около 30000 генов. Во всём объёме ДНК структурные гены (т.е. те, которые кодируют белки, идущие на построение стуктур организма) занимают лишь 3-10%. Получается, что на некодирующие области (то есть не дающие информации для построения белков) приходится большая часть эукариотических геномов (в случае человека — целых 98%). У прокариот их поменьше — в среднем, 20%. Поначалу такие области, не содержащие посланий для передачи через РНК в строение белка, биологи называли мусорной ДНК (junk DNA) и относились к ним с пренебрежением. Теперь стало понятно, что "некодирующие области" кодируют строение тех видов РНК, которые не несут в себе программы для синтеза белка, но обеспечивают само течение этого синтеза.

Вычислить общий объем информации, заключенной в любом геноме, достаточно просто. Для этого необходимо принять, что одна пара нуклеотидов несет в себе два бита информации, то есть 2/8 = 0,25 байт. Это объясняется тем, что выбор нуклеотида производится между 4-мя вариантами (аденином, тимином, гуанином и цитозином), и все эти варианты можно обозначить двузначным кодом: 00, 01, 10, 11. В одинарном (гаплоидном) человеческом геноме содержится приблизительно 3,2 млрд пар нуклеотидов [1]. Соответственно, в обычном для клеток двойном (диплоидном) геноме — 2 × 3,2 млрд. пар нуклеотидов. 2 × 3 200 000 000 × 0,25 = 1 600 000 000 байт или 1 600 000 000 / (1024)³ ≈ 1,5 гигабайт. Гаплоидный геном продовой мушки Drosophila melanogaster в среднем содержит 175 млн пар оснований [2] (не забудьте помножить на 2!), а геном кишечной палочки — 4,6 млн [3]. Нетрудно подсчитать, что это будет соответствовать 83 и 1,1 мегабайтам. (https://biomolecula.ru/articles/rabota-nad-oshibkami)

Работой ДНК управляет множество ДНК-связывающих белков. Когда такой ДНК-связывающий белок находит свою целевую мишень, то есть совместимую с ним последовательность нуклеотидов), то для начала он связывается с ДНК в этом месте. Эта "посадка" белка на ДНК запускает последующие процессы.

Наименьшая функциональная единица ДНК состоит из следующих элементов: структурный ген, регуляторные зоны, регуляторные гены.

Строение молекулы ДНК

Усложнённые современные представления о строении ДНК: Перейти

Молекулы ДНК имеют вид длинных двойных цепей полимеров – полинуклеотидов, состоящих из мономеров – нуклеотидов. Двойная цепь закручена в спираль. Поэтому ДНК похожа на винтовую лестницу (посмотрите на рисунок вверху). Каждый нуклеотид включает одно из четырех азотистых оснований – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т), одну молекулу пентозы (пятиуглеродный сахар) и один остаток фосфорной кислоты. Обычно молекула ДНК состоит из двух комплементарных нитей, которые образуют двойную спираль. При этом аденин одной нити находится в паре с тимином другой (стабилизируется двумя водородными связями), а гуанин аналогично связан с цитозином (тремя водородными связями). Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК несет информацию, необходимую для синтеза белков. ДНК - очень длинные молекулы, состоящие из множества нуклеотидов. Например, геном человека состоит из 46 хромосом, основу которых составляют молекулы ДНК, которые в совокупности собраны примерно из 3 млрд нуклеотидны пар.

ДНК — это, чаще всего, правозакрученная двойная спираль, шаг которой охватывает примерно 10 нуклеотидов.

У эукариот генетический материал находится в ядре клетки в линейных хромосомах. Хромосомы в активном (рабочем) состоянии существуют в виде хроматина. Хроматин содержит около 40% ДНК, 40% гистонов (щелочных белков), около 20% негистоновых хромосомных белков и немного РНК.

Видео: Строение ДНК

Видео: Строение хромосомы

ДНК мы можем отнести к биосистемам - "живым системам", к "живым молекулам", на том основании, что они лежат в основе жизни вообще, а также обладают рядом важнейших свойств живого, в частности, способностью к размножению. ДНК насктолько самостоятельны и самодостаточны, что способны существовать даже вне клетки - в виде вирусов или в свободном виде. В своей жизни молекулы ДНК проходят жизненные этапы, напоминающие нам жизнь более сложных биологических систем - живых организмов. Это такие этапы как рождение, созревание, работа (деятельность), размножение и "смерть".

Тема: Строение ДНК

Домашнее задание

1. Знать и уметь писать структурные формулы нуклеотидов: А, Т, Г, Ц, У.
2. Знать устройство молекул ДНК и их организацию в хромосомы.
3. Знать способы связывания нуклеотидов в ДНК по вертикали и горизонтали. Понятие о 3'-5' связях.
4. Уметь пользоваться таблицей генетического кода для построения молекул пептидов на основе участка ДНК размером от 12 и более нуклеотидов.

Видео: Хромосомы, митоз, репликация

Важные черты репликации ДНК

 1. "Лоскутная" репликация (термин В.Ф. Сазонова, неофициальный).У эукариот репликация ДНК происходит  одновременно на множестве участков по всей днине молекулы ДНК. Затем эти "лоскутки" сшиваются друг с другом, и получается 4 нити (цепи) скрученные по 2.

2.  Каждая репликация начинается с транскрипции. Это означает, что на копируемом участке ДНК сначала путём транскрипции создаётся короткий участок РНК (затравка, праймер), который затем наращивается уже как ДНК. 

3. У прокариот репликация их кольцевой ДНК проходит проще, чем репликация линейной ДНК у эукариот, потому чтоя она начинается с праймера и по кольцу доходит до него с другой стороны, где его можно отщепить и продолжить репликацию ДНК до конца. "У кольца нет конца, репликация проходит до конца, в результате - два кольца". Единственная кольцевая ДНК, которая есть у человека, находится в митохондриях, которые произошли эволюционно из древних бактерий. 

4. Репликацию ДНК осуществляет реплисома (а трансляцию белка - рибосома). Реплисома - это совокупность белков, которые функционируют совместно для репликации (дублирования) двойной молекулы (дуплекса)ДНК.

5. В репликации задействованы особые регуляторные участки ДНК. Их "инструменты для работы": особая последовательность нуклеотидов, структура и физико-химические свойства. 

Этапы жизни молекулы ДНК

Обзор о жизни ДНК: Перейти

Репликация, транскрипция, репарация, рекомбинация - вот чем занимается ДНК в клетках живых организмов.

Рождение (репликация) - созревание (формирование хромосомы) - работа (транскрипция) - управление (регуляция) - видоизменение (рекомбинации и мутации) - исправление (репарация) - размножение (репликация) или "смерть" (деградация).

1. Репликация ДНК - рождение новой дочерней нити ДНК на каждой нити материнской (родительской) ДНК.
2. Созревание ДНК - формирование хромосомы.
3. Транскрипция ДНК - работа ДНК в виде осуществления на ней матричного синтеза РНК. Транскрибируется не вся молекула ДНК, а только её избранные участки.
4. Регуляция транскрипции - управление деятельностью ДНК по транскрипции.
5. Изменения структуры ДНК - мутации, транспозоны.
6. Репарация ДНК - восстановление повреждённых участков. Подробно в литобзоре (с. 46-52): https://ib.komisc.ru/rus/component/phocadownload/category/22-dissovet?do...
7. Репрликация - размножение ДНК

8. Деградация ДНК - разрушение при каждом цикле репликации.

1. Рождение - репликация

ДНК рождается с помощью воппроизводства на материнской молекуле двух её точных копий - двух дочерних молекул ДНК. Воспроизводство ДНК называется репликаця (=редупликация). 

При рождении новой ДНК происходит: 1. Что? 2. Где? 3. Когда? 4. Как?

1. Репликация (удвоение молекулы). Двойная цепь ДНК на каждой своей цепи достраивает новую цепь - получается 4 цепи вместо 2-х и 2 молекулы ДНК вместо одной. Репликация начинается сразу во многих местах молекулы ДНК — óриджинах (от англ. origin — «начало») и копирует полностью всю молекулу, не различая её отдельные функциональные части, вроде генов.

2. В ядре клетки, в митохондриях, в пластидах.

3. В интерфазу, в её синтетическом периоде S.

4. Путём матричного синтеза (синтеза по образцу, по шаблону, на матрице).

Состав реплисомы - биомашины для репликации ДНК

1. Геликаза (=хеликаза) - разделяет нити дуплексной ДНК и создаёт парные однонитевые участки.
2. Праймаза - создаёт затравку (праймер) из короткой РНК на одной из цепей ДНК для начала синтеза новой нити ДНК. Только от OH- группы (3'-гидроксила) такого праймера ДНК-полимераза может начать наращивать в длину новую цепь ДНК.
3. ДНК-полимеразы - наращивают в длину ДНК, начиная от РНК-праймера, и превращают разъединённые одноцепочечные участки ДНК в двойные нити - дуплексы.
4. Скользящий зажим, который окружает ДНК и удерживает полимеразы в ДНК для быстрого и эффективного синтеза.
5. Зажимной погрузчик, который использует АТФ для открытия/закрытия кольцевого зажима и размещения его на ДНК.
6. Одноцепочечный ДНК-связывающий белок - защищает одноцепочечные участки ДНК от нуклеаз, могущих её разорвать. 

Сам процесс репликации ДНК проходит очень просто, на счёт "раз, два, три", то есть в три этапа: 1) инициация, 2) элонгация, 3) терминация.

1. Инициация - начинание

Мишень для запуска репликации

Репликация огромной молекулы ДНК начинается с возникновения репликативной точки. Эта точка имеет специфическую последовательность богатую парами А-Т. Такие учкастки в ДНК как раз и являются мишенями для белков, инициирующих репликацию. Именно к ним присоединяются специальные распознающие белки, которые обеспечивают присоединение ферментов репликации хеликазы и топоизомеразы (гиразы) и таким образом запускают процесс репликации. Хеликаза расплетает ДНК на две цепи. Образуется репликативная вилка. Молекула ДНК жестко закреплена на ядерном матриксе и не может свободно вращаться при расплетании какого-либо участка. Это блокирует продвижение хеликазы по цепи. Топоизомераза надрезает нити ДНК и снимает структурное напряжение.
В одной репликативной вилке действуют две хеликазы, которые движутся в противоположных направлениях. Разделенные цепи фиксируются ДНК- связывающими белками. Участки формирования репликативной вилки называются «точками ori» (origin - начало). У эукариот одновременно образуется тысячи таких вилок, что обеспечивает высокую скорость репликации.

Инициация подробнее

2. Элонгация - продолжение (удлиннение)

Наращивание дочерних цепей ДНК на двух родительских цепях происходит неодинаково. ДНК- полимераза III прокариот и δ- или α-ДНК-полимеразы эукариот могут осуществлять синтез новой цепи ДНК лишь в направлении 5’>3’, т.к. могут присоединить новый нуклеотид только к углероду в положении 3’, но не в положении 5’. 

Цепь с такой направленностью называется лидирующей. На ней синтез дочерней нити ДНК идёт непрерывно. ДНК-полимераза III или δ-полимераза непрерывно присоединяют к ней комплементарные нуклеотиды.

Цепь с полярностью 3’>5’ является отстающей и достраивается по частям (также в направлении 5’>3’). α-ДНК-полимераза (или ДНК-полимераза III) синтезирует на этой цепи короткие участки - фрагменты Оказаки.

Синтез фрагментов Оказаки и лидирующей цепи начинается с образования РНК-праймеров (затравок) длиной 10-15 рибонуклеотидов ферментом праймазой (РНК-полимеразой). Ни одна из ДНК-полимераз не способна начать синтез ДНК с нуля, а может лишь достраивать существующую цепь. Параллельно с образованием лидирующей цепи или фрагментов Оказаки происходит удаление рибонуклеотидов из праймеров и замена их нуклеотидами ДНК. Замена рибонуклеиновых участков (праймеров) на участки ДНК происходит с помощью β-ДНК-полимеразы, которая имеет как экзонуклеазную, так и полимеразную активность.

Таким образом, репликация невозможна без частичной временной транскрипции.

Скорость репликации (элонгации) ДНК составляет около 45000 нуклеотидов в минуту, таким образом, родительская вилка расплетается со скоростью 4500 об/мин. Это сопоставимо, например, со скоростью вращения охлаждающего вентилятора в компьютере (1300-4800 об/мин).

3. Терминация - завершение (окончание)

Завершение репликации происходит тогда, когда пробелы между фрагментами Оказаки заполнятся нуклеотидами (при участии ДНК-лигазы) с образованием двух непрерывных двойных цепей ДНК и когда встретятся две репликативные вилки. Затем происходит закручивание синтезированных ДНК с образованием суперспиралей.

Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и действием ДНК-полимераз, которые обладают кроме полимеразной, еще и экзонуклеазной активностью и способны распознавать и исправлять ошибки. Если включается некомплементарный нуклеотид, то фермент делает шаг назад, отщепляет его и продолжает полимеразную реакцию. Поэтому процесс репликации является высокоточным.

После завершения репликации происходит метилирование ДНК в участках –GАТС- по аденину (с образованием N-метиладенина) и остаткам цитозина с образованием 5-метилцитозина. Метилирование не нарушает комплементарности цепей и является необходимым для формирования структуры хромосом и регуляции транскрипции генов.

У прокариот, таких как бактерии, ДНК способна реплицироваться, не распрямляясь в линейную молекулу, то есть оставаясь в характерной для неё кольцевой форме.

Терминация подробнее

Видео: Репликация ДНК Перейти
 

Видео: Репликация (удвоение) ДНК

2. Созревание - формирование хромосомы и хроматина

При созревании ДНК происходит: 1. Что? 2. Где? 3. Когда? 4. Как?

1. Конденсация хроматина для образования хромосом: соединение молекулы ДНК с белками-гистонами и её многократная спирализация.

2. В ядре начинается и в цитоплазме заканчивается после растворения ядерной оболочки в процессе митоза.

3. В позднюю интерфазу, профазу и метафазу митоза. Профаза длится менее 15 минут у теплокровных животных и несколько часов у холоднокровных.

4. Происходит конденсация (спирализация) хромосом [лат. condensatio — уплотнение, сгущение; греч. chroma — цвет, окраска и soma — тело] — процесс компактизации (уплотнения) хромосом, начинающийся ещё в интерфазе и достигающий максимума в метафазе. В основе конденсации хромосом. лежат сложные процессы скручивания (упаковки) хроматина, в которых принимают участие различные белки-гистоны.

3. Работа - транскрипция

 Видео: Блокировка работы гена

 4. Управление - регуляция Видео

5.  Восстановление (починка) - репарация Видео

По аналогии с жизнью человека это похоже на болезнь и выздоровление. Спонтанные повреждения молекулы ДНК в живой клетке репарируются в процессе репликации или приводят к гибели и элиминации клетки, имеющей такую повреждённую ДНК.

Все "негативы" и "позитивы" в молекуле ДНК должны строго соответствовать друг другу. А если встретится неправильно подобранная пара, обнаружатся пропущенные или лишние знаки, значит, при удвоении ДНК произошли ошибки. И если такие опечатки вовремя не исправить, то в будущем из них вырастут полноценные мутации. И они могут серьезно подорвать здоровье своему носителю.

Клетка разработала надежные системы для обнаружения и устранения повреждений ДНК. Повреждение ДНК может быть репарировано с помощью ферментов, которые могут прямым путем обратить химическое изменение за одну реакцию. Например, фермент фотолиаза использует УФ-излучение для разделения димеров тимина путем вскрытия циклобутанового фрагмента, который удерживает димер тимина вместе.

Другие формы репарации представляют собой многоэтапный процесс, в котором

1. Обнаруживаются химические изменения в ДНК
2. Поврежденное основание или участок удаляются
3. Синтезируется новая ДНК

Если повреждение не подлежит репарации, клетка может либо стать стареющей, либо подвергнуться апоптозу. Старение клеток - это состояние, при котором клетка становится необратимо бездействующей, то есть больше не может подвергаться клеточному делению, и ее клеточный цикл останавливается на неопределенный срок. Апоптоз относится к запрограммированной гибели клеток, когда белки, называемые каспазами, разрушают клеточные компоненты, необходимые для выживания клеток. За этим следует переваривание ДНК ДНКазами, что приводит к уменьшению размера клетки и передаче сигналов группе лейкоцитов, называемых макрофагами, которые поглощают и удаляют клеточный мусор. (https://www.jove.com/science-education/11560/repair-of-damaged-dna?langu...)

Чтобы подобного не происходило, в клетке трудятся специальные белки, призванные выверять и корректировать наши данные. Точечные несоответствия негатива и позитива часто называют мисмэтчами, то есть, неправильными парами азотистых оснований нуклеотидов. Отсюда и название их команды: «система мисмэтч репарации» или ММР.

Состав этой команды может варьировать. Однако в ней неизменно присутствуют пара белков MutS и пара белков MutL. Либо их ближайших родственников — еще их называют «гомологами». Белки этого типа очень древние и широко распространенные. Они обнаруживаются в клетках самых разнообразных живых существ [4], [5]. И методы их работы за миллиарды лет эволюции принципиально не изменились.

Далее о работе репаративных белков написано тут: Перейти

Деградация и репарация ДНК Перейти

Подробно о репарации - в литобзоре (с. 46-52): https://ib.komisc.ru/rus/component/phocadownload/category/22-dissovet?do...

Обзор: Роль РНК-связывающих белков и поли(АDP-рибозы) в репарации ДНК Перейти

6. Видоизменение - мутация. Видео

7. "Смерть" - деградация при репликации и апоптозе.

Многие ДНК-падимфазы (ДНКП) помимо фунмшк синтеза ДНК обладают рядом дополнительных активностей. Все ДНКП способны осуществлять пирофосфоролиз — реакцию обратную полимеризации. Кроме того, у многих полимераэ имеется отдельный эхзоиуклсазный активный центр, осуществляющий 3'—*5'-экзонуклеазную реакцию. Подобная активность описана дм прокариопгческих ДНКП Г типа (Joyce and Steitz, 1994) ж эукариотических ДНКП 8, а, и Ç (полимерам а обладает такой активностью лишь у некоторых видов) (Михайлов, 1999). ДНКП I прокариот обладают также дополнительной 5*—»З'-экзовуклеазной активностью, осуществляемой отдельным активным центром. (https://earthpapers.net/nukleotid-zavisimaya-degradatsiya-nukleinovyh-ki...) 

telomeraza_slide-3-696x522.jpg

Рисунок. Теломераза - фермент, побеждающий смерть. Источник изображения: https://sciencepop.ru/uchenye-poluchili-samuyu-tochnuyu-strukturu-telome...

Теломераза – фермент, достраивающий теломерные участки, расположенные на концах хромосом. Он имеет собственную РНК-матрицу, за счёт которой может считывать последовательность нуклеотидов ДНК.

Видео: Действие теломеразы

Сохранность ДНК в природе

Учёные выделили 158 образцов ДНК из трубчатых костей птиц моа, которые давно уже были истреблены в Новой Зеландии. Затем они определили их возраст и исследовали зависимость степени деградации ДНК от длительности её хранения. Оказалось, что половина находящейся в таких условиях ДНК разрушается в течение 521 года. После 1000 лет хранения остается около четверти исходной нуклеиновой кислоты, после 1500 лет - одна восьмая и так далее.

По расчётам ученых, даже при хранении в условиях оптимальной температуры в природе (при -5 градусах Цельсия) спустя 7 миллионов лет разрушаются практически все связи между основаниями. При этом "осмысленость" последовательности пропадает еще раньше - спустя 1,5 миллионов лет ДНК распадается на столь мелкие фрагменты, что они уже не могут быть собраны в единое целое. (http://www.rsci.ru/science_news/233001.php)

Источники:

http://murzim.ru/nauka/biologiya/molekuljarnaja-biologija/25532-etapy-re...