Днк (дезоксирибонуклеиновая кислота)

История

В домолекулярной генетике для обозначения наименьшего элемента в структуре ДНК, который может быть подвержен спонтанной или индуцированной мутации, применялся особый термин рекон. В настоящее время показано, что таким наименьшим элементом является один нуклеотид (или одно азотистое основание в составе нуклеотида), поэтому данный термин более не употребляется. Для определения понятия единица мутации применялся термин мутон. В настоящее время показано, что фенотипически мутация может проявиться даже при замене одного нуклеотида (или азотистого основания в составе нуклеотида), таким образом, термин мутон соответствует одному нуклеотиду.

Строение

Нуклеотиды являются сложными эфирами нуклеозидов и фосфорных кислот. Нуклеозиды, в свою очередь, являются N-гликозидами, содержащими гетероциклический фрагмент, связанный через атом азота с C-1 атомом остатка сахара.

В природе наиболее распространены нуклеотиды, являющиеся β-N-гликозидами пуринов или пиримидинов и пентоз — D-рибозы или D-2-дезоксирибозы. В зависимости от структуры пентозы различают рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды, которые являются мономерами молекул сложных биологических полимеров (полинуклеотидов) — соответственно РНК или ДНК.

Фосфатный остаток в нуклеотидах обычно образует сложноэфирную связь с 2′-, 3′- или 5′-гидроксильными группами рибонуклеозидов, в случае 2′-дезоксинуклеозидов этерифицируются 3′- или 5′-гидроксильные группы.

Большинство нуклеотидов являются моноэфирами ортофосфорной кислоты, однако известны и диэфиры нуклеотидов, в которых этерифицированы два гидроксильных остатка — например, циклические нуклеотиды циклоаденин- и циклогуанин монофосфаты (цАМФ и цГМФ). Наряду с нуклеотидами — эфирами ортофосфорной кислоты (монофосфатами) в природе также распространены и моно- и диэфиры пирофосфорной кислоты (дифосфаты, например, аденозиндифосфат) и моноэфиры триполифосфорной кислоты (трифосфаты, например, аденозинтрифосфат).

Новое секвенирование и базы данных

Исследовать многообразие РНК не так просто по многим причинам, от их высокой лабильности до малых размеров. Однако появление высокопроизводительных методов параллельного секвенирования (когда миллионы фрагментов ДНК из одного образца читаются одновременно), оно же секвенирование нового поколения (next-generation sequencing, NGS), значительно ускорило поиск функциональных участков генома.

Различные платформы для NGS позволяют читать от миллиона до десятков миллиардов коротких последовательностей (отсеквенированные «за один проход» участки называют ридами, от английского read) длиной 50–600 нуклеотидов каждая. К наиболее популярным платформам относятся Illumina и IonTorrent, и все больше внимания привлекают к себе платформы для секвенирования единичных молекул — Pacific Biosciences, нанопоровое секвенирование Oxford Nanopore, Helicos Biosciences HeliScope (компания Helicos объявлена банкротом, но технология лицензирована другим компаниям). Последним не нужно нарабатывать много копий ДНК для секвенирования — они действительно работают с отдельными молекулами! Другой их важный плюс в том, что они позволяют прочитывать значительно более длинные риды, до 10–60 тысяч нуклеотидов. Именно благодаря этому качеству, например, метод нанопорового секвенирования с успехом применили для секвенирования богатого повторами центромерного участка Y-хромосомы человека.

Кроме того, появились методы секвенирования РНК — сначала через создание ДНК-копий, а потом и прямые. Изначально они создавались для количественного определения экспрессии генов, но также способствовали обнаружению ранее не известных РНК, как кодирующих, так и не кодирующих.

Благодаря методам NGS базы данных генов lncRNA и других РНК всего за десятилетие резко выросли, и каталоги генов человека теперь содержат больше генов РНК, чем генов белков. Кроме того, секвенирование РНК позволило установить, что альтернативный сплайсинг, альтернативное инициирование транскрипции и альтернативное прерывание транскрипции происходят гораздо чаще, чем полагали, и затрагивают до 95% человеческих генов. Следовательно, даже когда мы узнаем местоположение всех генов в геноме, нужно будет выявить все изоформы этих генов, а также определить, выполняют ли эти изоформы какие-либо функции или просто представляют собой ошибки сплайсинга.

Задача по составлению каталога всех генов по-прежнему не решена. В последние 15 лет только две исследовательские группы составляют, корректируют и пополняют список генов: RefSeq и Ensembl / Gencode. Первая поддерживается Национальным центром биотехнологической информации при Национальных институтах здравоохранения США, вторая — Европейской молекулярно-биологической лабораторией. Кстати, Gencode — подпроект консорциума ENCODE, «масштабной научной экспедиции в пустыни генома, не кодирующего белки» (см. «Химию и жизнь» № 10, 2012). В этих каталогах есть сотни различий по белок-кодирующим генам, тысячи — по генам длинных некодирующих РНК; имеются существенные расхождения и в других группах (см. таблицу 2).

Таблица 2. Количество разных типов генов в базах данных Gencode, RefSeq, CHESS

По: BMC Biology, 2018, 16:94

В 2017 году сотрудники Университета Джонса Хопкинса под руководством Стивена Зальцберга создали еще одну базу данных генов человека — CHESS. Они использовали данные глубокого секвенирования РНК, чтобы заново получить информацию о всех продуктах транскрипции в разнообразных тканях человеческого организма, и отмечают, что существенно пополнили списки генов. Примечательно, что новая база включает все белок-кодирующие гены как Gencode, так и RefSeq, поэтому пользователям CHESS не нужно решать, какую базу данных они предпочитают. Создатели CHESS отмечают, что более обширная база с большей вероятностью содержит последовательности, ошибочно отнесенные к генам, но лучше потом удалить такую последовательность, чем пропустить существующий ген.

Состав ДНК

Если говорить о составе ДНК более подробно, то нуклеотиды это базовый структурный элемент, кирпичики из которых состоят обе цепи спирали. Нуклеотиды подразделяются на 4 разновидности: аденин, тимин, гуанин и цитозин. И всего 4 этих нуклеотида осуществляют запись всей наследственной информации и составляют все известные гены.

Закручиваются в спираль обе цепочки генов тоже не просто так. Из всех четырёх различных нуклеотидов находиться напротив друг друга в разных цепочках они могут только двумя парами: аденин-тимин и гуанин-цитозин. В науке эти пары называются комплементарными.

Между парными нуклеотидами возникает крепкая водородная связь. При этом, связь аденином и тимином немного слабее чем между гуанином и цитозином. Но закручиваются цепочки в спираль по иным причинам:

• Исследования показали, что скручивание помогает сократить длину цепочки генов в 5-6 раз. А во время суперспирализации (такое тоже бывает) длина цепочки может сократиться в целых 30 раз!
• Помимо того, что пара цепочек генов закручена в спираль, существует и суперспирализация. За это явление отвечают гистоновые белки, которые имеют форму катушек для ниток. Уже закрученная двойная спираль наматывается на эти белки, как нитка. Что не оставляет сомнений в том, что спиральность, как таковая специально служит тому, что бы более компактно упаковать наследственную информацию в клетку.

Хромосома: определение и описание

Считается, что хромосомы это нуклеотидные биомеханизмы, которые находятся в ядре клетки. Эти биомеханизмы являются носителями и передатчиками наследственной информации, и в свою очередь содержат в себе двойную спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Чем отличаются хромосомы друг от друга

На примере Х хромосомы, цепи нуклеотидов могут пересекаться внутри хромосомы различно:

1.  В перекрестии хромосомы, пересекаясь точно посередине друг друга.
2.  Там же, но пересекаясь не точно.

Во втором случае одни концы получившегося перекрестия будут длиннее, а другие короче. Называют такие концы длинным и коротким плечом хромосомы. Отсюда и форма Y хромосомы, у которой ярко выражены длинные плечи, а короткие настолько не велики, что схематически не указываются.

Науке известных хромосомы трёх основных форм:

•  Х хромосома, которая встречается у женщин и у мужчин.
•  Y хромосома, встречающаяся только у мужчин.
•  В хромосома изредка встречается у растений, и считается отмирающей, поскольку редко наследуется. Обычно её наличие в растении связывают с его слабостью и болезненностью.

Всего в клетке человеческого организма находится 46 парных хромосом: 22 пары «обычных» и одна пара половых (ХХ у женщин и XY у мужчин). Интересный факт – если добавить или отнять всего одну пару хромосом, человек может стать помидором или орангутангом.

Образование фосфодиэфирных связей

Важно разобраться в вопросе о том, как соединяются нуклеотиды в полипептидную цепь и образуют молекулу нуклеиновой кислоты. Происходит это за счет так называемых фосфодиэфирных связей

Взаимодействие двух нуклеотидов дает динуклеотид. Образование нового соединения происходит путем конденсации, когда между фосфатным остатком одного мономера и гидроксигруппой пентозы другого возникает фосфодиэфирная связь.

Синтез полинуклеотида – неоднократное повторение этой реакции (несколько миллионов раз). Полинуклеотидная цепь строится посредством образования фосфодиэфирных связей между третьим и пятым углеродами сахаров (3С´ и 5С´).

Сборка полинуклеотида – сложный процесс, протекающий при участии фермента ДНК-полимеразы, которая обеспечивает рост цепи только с одного конца (3´) со свободной гидроксигруппой.

Структура молекулы РНК

РНК представлена одной полинуклеотидной цепочкой, образованной через ковалентные связи между пентозой (в данном случае рибозой) и фосфатным остатком. По длине она значительно короче ДНК. По видовому составу азотистых оснований в нуклеотиде также имеются различия. В РНК вместо пиримидинового основания тимина используется урацил. В зависимости от функций, выполняемых в организме, РНК может быть трех типов.

• Рибосомальная (рРНК) – содержит обычно от 3000 до 5000 нуклеотидов. Как необходимый структурный компонент принимает участие в формировании активного центра рибосом, места осуществления одного из важнейших процессов в клетке — биосинтеза белка.• Транспортная (тРНК) – состоит в среднем из 75 — 95 нуклеотидов, осуществляет перенос нужной аминокислоты к месту синтеза полипептида в рибосоме. Каждый вид тРНК (не менее 40) имеет свою, присущую только ему последовательность мономеров или нуклеотидов.• Информационная (иРНК) – по нуклеотидному составу весьма разнообразна. Переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам, выступает в роли матрицы для синтеза белковой молекулы.

Функции и свойства ДНК

• сохраняет наследственную информацию;
• передача (удвоение/репликация);
• транскрипция, реализация;
• ауторепродукция ДНК. Функционирование репликона.

Процесс самовоспроизведения молекулы нуклеиновой кислоты сопровождается передачей от клетки к клетке копий генетической информаций. Для его осуществления необходимы набор специфических ферментов. В этом процессе полуконсервативного типа образуется репликативная вилка.

Репликон представляет собой единицу репликационного процесса участка генома, подконтрольного одной точке инициации репликации. Как правило, геном прокариот -это репликон. Репликация от точки инициации идет в обе стороны, иногда с различной скоростью.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, наряду с белками играющие наиважнейшую роль в клетках живых организмов. Нуклеиновые кислоты отвечают за хранение, передачу и реализацию наследственной информации.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, таким образом они сами представляют полинуклеотиды.

Строение нуклеотидов

Каждый нуклеотид, входящий в состав нуклеиновой кислоты, состоит из трех частей:

• пятиуглеродного сахара (пентозы),
• азотистого основания,
• фосфорной кислоты.

Химические связи между частями нуклеотида ковалентные, образующиеся в результате реакций конденсации (т. е. с выделением молекул воды). Конденсация обратна гидролизу.

В нуклеотиде первый атом углерода пентозы связан с азотистым основанием (связь C-N), а пятый — с фосфорной кислотой (фосфоэфирная связь: C-O-P).

Существуют два основных типа нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). В составе РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК — дезоксирибозой. В обоих случаях в нуклеиновых кислотах встречается циклический вариант пентоз. Дезоксирибоза отличается от рибозы отсутствием атома кислорода при втором атоме углерода.

Наличие дополнительной гидроксильной группы (-OH) у рибозы делает РНК молекулой, легче вступающей в химические реакции.

В составе нуклеотидов нуклеиновых кислот обычно встречаются следующие азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г, G), цитозин (Ц, C), тимин (Т), урацил (У, U).

Аденин и гуанин относятся к пуринам, остальные — к пиримидинам. В молекуле пуринов имеется два кольца, а у пиримидинов только одно. Урацил почти не встречается в ДНК, а тимин весьма редок для РНК.

То есть для ДНК характерны аденин, гуанин, тимин и цитозин. Для РНК — аденин, гуанин, урацил и цитозин.

Тимин схож с урацилом, отличатся от него лишь метилированным (имеющим группу -CH3) пятым атомом кольца.

Химическое соединение сахара с азотистым основанием называется нуклеозидом. Ниже представлены нуклеозиды, где в качестве сахара выступает рибоза.

Нуклеозид, реагируя с фосфорной кислотой, образует нуклеотид. Ниже представлен нуклеотид, где в качестве сахара выступает дезоксирибоза, а в качестве азотистого основания — аденин.

Именно наличие остатков фосфорной кислоты в молекулах нуклеиновых кислот определяет их кислотные свойства.

Строение нуклеиновых кислот

Нуклеотиды линейно соединяются между собой, образуя длинные молекулы нуклеиновых кислот. Цепочки многих молекул ДНК являются самыми длинными существующими полимерами. Длина молекул РНК обычно существенно меньше ДНК, но при этом различна, т. к. зависит от типа РНК.

При образовании полинуклеотида (нуклеиновой кислоты) остаток фосфорной кислоты предыдущего нуклеотида соединяется с 3-м атомом углерода пентозы следующего нуклеотида. Связь образуется такая же как между 5-м атомом углерода сахара и фосфорной кислотой в самом нуклеотиде – ковалентная фосфоэфирная.

Таким образом, остов молекул нуклеиновых кислот составляют пентозы, между которыми образуются фосфодиэфирные мостики (по-сути остатки пентоз и фосфорных кислот чередуются). От остова в сторону отходят азотистые основания. На рисунке ниже представлена часть молекулы рибонуклеиновой кислоты.

Следует отметить, что молекулы ДНК обычно не только длиннее РНК, но и состоят из двух цепей, соединенных между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями. Причем данные связи образуются согласно принципу комплементарности, по которому аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.

Подобные связи могут возникать и в РНК (но здесь аденин комплементарен урацилу). Однако в РНК водородные связи образуются между нуклеотидами одной цепи, в результате чего молекула нуклеиновой кислоты сворачивается различным образом.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение.

ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни человека.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы.

Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи).

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей.

Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух параллельных неразветвленных полинуклеотидных цепей, закрученных в противоположные стороны вокруг общей оси.

Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали, а остатки фосфата и дезоксирибозы – снаружи.

Две спирали удерживаются вместе водородными связями между парами азотистых оснований. Водородные связи образуются между определенными основаниями: тимин (Т) образует водородные связи только с аденином (А), а цитозин (Ц) – только с гуанином (Г). В первой паре азотистых оснований две водородные связи, а во второй – три.

Такие пары оснований называются комплементарными парами. А такое пространственное соответствие молекул, способствующее их сближению и образованию водородных связей, называется комплементарностью. Комплементарность обусловливает спиралевидную модель ДНК.

Две спирали в молекуле ДНК комплементарны друг другу. Последовательность нуклеотидов в одной из спиралей определяет последовательность нуклеотидов в другой.

В каждой паре оснований, связанных водородными связями, одно из оснований – пуриновое, а другое пиримидиновое. Общее число остатков пуриновых оснований в молекуле ДНК равно числу остатков пиримидиновых оснований.

Таким образом,

• ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А),
• ЦИТОЗИН (Ц) комплементарен ГУАНИНУ (Г).

Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химической основой главной функции ДНК – хранения и передачи наследственных признаков.

Репликация ДНК

Двухспиральная структура ДНК с комплементарными полинуклеотидными цепями обеспечивает возможность самоудвоения (репликации) этой молекулы.

Перед удвоением водородные связи разрываются, и две цепи раскручиваются и расходятся. Каждая цепь затем служит матрицей для образования на ней комплементарной цепи.

После разделения цепей происходит саморепликация, т.е. образование новой двойной спирали, идентичной исходной.

После репликации образуются две дочерние молекулы ДНК, в каждой из которых одна спираль взята из родительской ДНК, а другая (комплементарная) синтезирована заново.

Таким образом, сохраняется и передается новому поколению исходная структура ДНК.

Длина полинуклеотидных цепей ДНК практически неограничена. Число пар оснований в двойной спирали может меняться от нескольких тысяч у простейших вирусов до сотен миллионов у человека.

Видеофильм «ДНК. Код Жизни»

Рубрики: Нуклеиновые кислоты

Нуклеотидная последовательность

Он определяется с помощью традиционного метода секвенирования отобранного для анализа биологического материала.

По рекомендации всемирной организации IUPAC последовательность нуклеотидов записывается путем использования следующих букв латинского алфавита с дальнейшей расшифровкой:

Т – тимин;

А – аденин;

G – гуанин;

С – цитозин;

R – GA аденин в комплексе с гуанином и основаниями пурина;

Y – TC пиримидиновые соединения;

K – GT нуклеотиды, содержащие кетогруппу;

M – AC входящие в аминогруппу;

S – GC мощные, отличающиеся тремя водородными соединениями;

W – AT неустойчивые, которые образуют только по две водородные связи.

Последовательность нуклеотидов может меняться, а обозначения латинскими буквами необходимы в тех случаях, когда порядок расположения эфирных соединений неизвестен, является несущественным либо уже имеются результаты первичных исследований.

Наибольшее количество вариантов и комбинаций нуклеозидфосфатов свойственно для ДНК. Для записи эфирных соединений РНК достаточно символов A, С, G, U. Последнее литерное обозначение является веществом уридин, которое встречается только в РНК. Последовательность символических обозначений всегда записывается без использования пробелов.

Сколько нуклеотидов в ДНК

Для того, чтобы максимально подробно понимать, о чем идет речь, следует иметь четкое представление о самой ДНК. Это отдельный вид молекул, которые имеют вытянутую форму и состоят из структурных элементов, а именно – нуклеозидфосфатов. Какое количество нуклеотидов в ДНК? Существует 4 вида эфирных соединений данного типа, входящие в состав ДНК. Это аденин, тимин, цитозин и гуанин. Все они формируют единую цепочку, из которой и образовывается молекулярная структура ДНК.

Впервые строение ДНК было расшифровано в далеком 1953 году американскими учеными Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном. В одной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты содержится по две цепочки нуклеозидфосфатов. Они размещены таким образом, что внешне напоминают спираль, закручивающуюся вокруг своей оси.

Строение нуклеотида

При этом строение молекулы имеет одну важную особенность. Все нуклеотидные цепочки обладают свойством комплементарности. Это означает, что друг напротив друга размещаются только эфирные соединения определенного вида. Известно, что напротив тимина всегда расположен аденин. Напротив цитозина не может находится никакое другое вещество кроме гуанина. Такие нуклеотидные пары формируют принцип комплементарности и являются неразделимыми.

Масса и длина

Известно, что протяжная длина одного внутриклеточного остатка, состоящего из аминокислот в единой полипептидной цепи – 3,5 ангстрем. Средняя масса одного молекулярного остатка равна 110 а.е.м.

Кроме этого, еще выделяют мономеры нуклеотидного типа, которые сформированы не только из аминокислот, но имеют и эфирные составляющие. Это мономеры ДНК и РНК. Их линейная длина измеряется непосредственно внутри нуклеиновой кислоты и составляет не менее 3,4 ангстрем. Молекулярный вес одного нуклеозидфосфата находится в пределах 345 а.е.м. Это исходные данные, которые используются в практической лабораторной работе, посвященной опытам, генетическим исследованиям и прочей научной деятельности.

Использование в медицине

Открытие того из чего состоит молекула ДНК дало толчок к развитию множества новых услуг и направлений экспериментальной медицины. Благодаря новым технологиям, которые стали возможны вследствие исследования генома, сегодня почти любому доступны:

1.      Диагностика заболеваний на сверхранней стадии. Анализ позволяет выявить инфекцию, даже если заболевание находится в инкубационном периоде, и нет ни каких симптомов.
2.      Определение отцовства. Так же материнства и прочих родственных связей. При этом различные тесты можно проводить, как с участием потенциальных родителей, так и без них.
3.      Тестирование на непереносимость пищевых продуктов. Какие вещества хорошо усваиваются организмом, какие плохо или не усваиваются вовсе, что вызывает аллергические реакции – всё это расскажут результаты индивидуального исследования.
4.      Анализ этнической принадлежности – с какими народами перекрещивались далекие предки, и какие национальности формируют вас сегодня.
5.      Исследование на наличие наследственных заболеваний, в том числе и спящих, которые передаются через поколение и более.

И это только самые востребованные тесты, имеющие коммерческий интерес и полезные для простого обывателя. Если говорить о перспективах лабораторных научных исследований, то многие учёные-генетики не без энтузиазма готовятся совершить самое великое открытие за всю человеческую историю — победить болезни и саму смерть.