Доказательства генетической роли ДНК в клетке: где находится молекула и из чего состоит

Что такое ДНК человека?

Аббревиатура ДНК используется для обозначения молекулы, называемой дезоксирибонуклеиновой кислотой. Он состоит из повторяющихся блоков, называемых нуклеотидами (органическими соединениями), поэтому на фото выглядит как спираль с поперечными полосами.

Эти частицы содержат генетический код, определяющий характеристики человека: телосложение, рост, цвет глаз, волосы. У каждого человека уникальная ДНК. Идентичен только у однояйцевых близнецов. У животных и растений есть своя ДНК.

Как устроена ДНК человека? Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты состоит из четырех типов нуклеотидов:

  • аденин;
  • тимин;
  • цитозин;
  • гуанин.

Эти блоки соединяются по определенным правилам: аденин может связываться только с тимином, а цитозин — только с гуанином. Притяжение между нуклеотидами связывает две цепи, составляющие ДНК. Таким образом, одна часть цепи молекулы всегда может быть восстановлена ​​во второй: противоположность аденину — тимин, противоположность гуанину — цитозин. Это соответствие называется дополнительностью.

Три спирали ДНК

Так кодируется информация обо всех признаках организма. Комбинация нуклеотидов определяет, как будет выглядеть человек. Коллекция генетического материала называется геномом человека. Хранение, реализация и передача наследственной информации — это задача хромосомы (структуры в ядре клетки).

ДНК как химическое вещество было открыто Фридрихом Мишеровым в 1869 году, о чем говорится в статье Петтера Портина. Ученые научились расшифровывать генетическую информацию только в конце двадцатого века. Затем ученые смогли извлечь ДНК из хромосомы, разрезать ее на части и сшить любым способом с помощью ферментов.

так зародилась генная инженерия, началось производство новых организмов со встроенными чужеродными генами — ГМО (генетически модифицированный организм). Ученые расходятся во мнениях относительно безопасности продуктов питания с ГМО, объясняет Брунилда Назарио из WebMD.

Где в теле мы находим ДНК?

ДНК — это чрезвычайно длинная молекула, настолько длинная, что если бы всю ДНК человека развернуть и расположить из конца в конец, она простиралась бы более чем на 10 миллиардов километров. Это было бы похоже на полет по Плутону туда и обратно! Однако он в тысячи раз тоньше, чем прядь волос. С точки зрения локализации ДНК находится в ядре каждой клетки тела, плотно упакованной в пакеты, известные как хромосомы.


Упаковка ДНК в ядро ​​клетки

Из чего состоит ДНК?

ДНК состоит из молекул, известных как нуклеотиды. Каждый нуклеотид содержит сахар и фосфатную группу, а также азотистые основания. Эти азотистые основания подразделяются на четыре типа, в том числе:

  • аденин (А)
  • цитозин (С)
  • гуанин (G)
  • тимин (Т)

Структура ДНК представляет собой двухцепочечную спираль, внешне напоминающую витую лестницу. Сахар и фосфаты — это нити нуклеотидов, образующие длинные стороны. Азотные основания — это колышки. Каждый штифт на самом деле представляет собой два типа азотистых оснований, которые объединяются, чтобы сформировать когерентный штифт и удерживать вместе длинные цепи нуклеотидов.

Человеческая ДНК уникальна тем, что состоит из почти 3 миллиардов пар оснований, и около 99% из них одинаковы для каждого человека. Однако именно последовательность этих оснований определяет, как будет выглядеть этот организм.

Думайте о ДНК как о отдельных буквах алфавита — буквы объединяются в определенном порядке, образуя слова, фразы и истории. Та же идея применима к ДНК: способ упорядочения азотистых оснований в последовательностях ДНК формирует гены, которые сообщают клеткам, как производить белки. Рибонуклеиновая кислота (РНК), другой тип нуклеиновой кислоты, вырабатывается во время транскрипции (репликации ДНК). Функция РНК — переводить генетическую информацию из ДНК в белки, когда она декодируется рибосомой.

Расшифровка ДНК

Расшифровка ДНК стала возможной только благодаря открытию полимеразной цепной реакции и происходит следующим образом:
Образец, содержащий образцы дезоксирибонуклеиновой кислоты, быстро нагревается. Это необходимо для того, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две независимые нити.
Полимераза прикрепляется к интересующему исследователей участку генной цепи. Эта процедура выполняется при несколько низких температурах передачи.
Полимераза активирует деление захваченной области: так синтезируются гены, необходимые для изучения областей.
Участки пропитаны специальной краской, которая светится при попадании прямого лазерного луча.

Молекула ДНК

Определение ДНК, поиск ее места в уже систематизированных знаниях не так прост. В основном для удобства они были названы молекулами ДНК условно. Молекула ДНК — это более крупная структура, чем нормальные молекулы. И имеет уникальную спиралевидную структуру. В то время как физики и химики рассматривают электрически нейтральные частицы как молекулы, состоящие из одного или нескольких атомов, связанных ковалентными связями. Или, согласно результатам Международного конгресса химиков 1860 года, мельчайшая частица вещества, обладающая всеми своими химическими свойствами, считается молекулой.

Структура ДНК

Структура ДНК
Все слышали, что дезоксирибонуклеиновая кислота имеет двухцепочечную структуру. В Интернете, в фильмах, в рекламе повсюду можно найти ее увеличенное изображение. Но что, если вы попросите «Разъяснить подробнее»? Это более сложный вопрос. Давайте лучше разберемся, из чего состоит эта структура:
Нуклеотиды — это основные строительные блоки.
Две цепи генов, закрученные по спирали.
Каждая цепь состоит из нуклеотидов, кодирующих определенный ген.
Две цепи связаны водородными связями.
Нуклеотидные цепи также содержат совершенно неизученные структуры, которые, на первый взгляд, не участвуют в физиологических процессах. Эти довольно большие площади называют хламом.

Как работает ДНК ?

ДНК содержит жизненно важную информацию, которая передается из поколения в поколение. Молекулы ДНК в ядре клетки тесно связаны между собой, образуя хромосомы, которые помогают хранить важную информацию в виде генов.

ДНК работает, копируя себя в эту одноцепочечную молекулу, называемую РНК. РНК похожа на ДНК, но имеет некоторые существенные молекулярные различия, которые выделяют ее. РНК действует как посланник, передавая жизненно важную генетическую информацию в клетку от ДНК через рибосомы для создания белков, которые затем образуют всю жизнь.

Функции

ДНК находится в основном в ядрах клеток и митохондриях. При делении ядра происходит также деление дезоксирибонуклеиновой кислоты. В генетическом коде закодирована вся информация о строении скелета, мышечной ткани, цвете глаз, волос, даже о предрасположенности к определенным заболеваниям. Процесс деления ДНК называется репликацией. Но это не просто разделение на две или несколько частей: это копирование. Более того, полное и безоговорочное. Это самая важная функция этой загадочной молекулы.

Сохранить и передать всю информацию следующему поколению без изменений — непростая задача. Иногда случаются аварии. Такие неудачи называют мутациями. В процессе создания новой цепи ДНК одно, два или несколько азотистых оснований могут быть заменены другими. Например, тимин был заменен на аденин. В результате образуется новая структура, которая в дальнейшем будет передаваться только в измененном виде.

Спираль ДНК

Возможности

Генетика открывает перед человечеством невероятные горизонты. Лет 40-50 назад мы даже не могли представить себе возможности нашего генома. Генетическое тестирование вошло в нашу жизнь и успешно удовлетворяет наши потребности. Точность и бескомпромиссность генетики стремительно переносят эту науку по всей планете.

Самые популярные тесты, которые можно провести практически в любой ДНК-лаборатории:

  • Проверка отцовства и родства;
  • Определение этнической принадлежности;
  • Выявление хромосомных мутаций;
  • Выявление наследственных заболеваний;
  • Откройте для себя индивидуальные возможности тела в спорте.

Роль в клетке

Конечно, одна, даже большая двойная спираль, не может вместить весь объем информации, необходимый для такого сложного проекта, как человеческое тело. Может быть, поэтому эти цепочки объединены попарно, что делает их похожими на букву «Х». Хромосомы, в свою очередь, тоже парные, а у человека 46 пар.
В дополнение к тому факту, что хромосома содержит подробные инструкции по функционированию клетки, активируя гены, актуальные на данный момент, она заставляет клетку производить определенные белки с различными свойствами. Например, ген старости активно участвует в борьбе с раком, который стареет его клетки низкого качества и не дает им бесконечно делиться.

Что такое ДНК человека

Как открыли ДНК?

Гены содержат биологическую информацию, которая должна передаваться без изменений от одного поколения к другому. Он передается каждый раз, когда клетка делится. Это приводит к двум фундаментальным биологическим вопросам: как информация может передаваться в химической форме и как ее копировать без изменений? Открытие структуры ДНК стало еще одной вехой в биологии двадцатого века, поскольку оно предложило ответы на оба вопроса, что позволило решить проблему наследования на молекулярном уровне.

Существует распространенное заблуждение, что Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли ДНК в 1950-х годах. Фактически, ДНК была открыта за несколько десятилетий до них. Наблюдая за работой предшествовавших им пионеров, Джеймс и Фрэнсис смогли прийти к своему новаторскому выводу о том, из чего состоит ДНК в 1953 году. Но история открытия ДНК начинается в 1800-х годах. Вот некоторые интересные факты из этой истории.

Молекула, теперь известная как ДНК, была впервые идентифицирована в 1860 году швейцарским химиком по имени Иоганн Фридрих Мишер. Иоганн решил исследовать ключевые компоненты белых кровяных телец, фрагментов иммунной системы нашего тела. Основным источником этих клеток были бинты, собранные в ближайшей медицинской клинике.

Иоганн проводил эксперименты с солевыми растворами, чтобы лучше понять, из чего состоят белые кровяные тельца. Он заметил, что при добавлении кислоты в раствор клеток из раствора выделялось определенное вещество. Это вещество снова растворяется при добавлении щелочи. Изучая это вещество, он понял, что оно обладает неожиданными свойствами, отличными от других белков, с которыми он был знаком. Иоганн назвал это загадочное вещество «нуклеином», потому что считал, что оно происходит из ядра клетки. Затем он начал искать способы извлечь его в чистом виде.

Иоганн был убежден в важности нуклеина и был очень близок к открытию его роли, хотя ему были доступны только простые инструменты и методы. Он долго колебался, прежде чем опубликовать свои результаты в 1874 году. В результате прошло много десятилетий, прежде чем открытие Иоганна Фридриха Мишера было достаточно оценено научным сообществом.

В течение многих лет ученые продолжали верить, что белки — это молекулы, которые содержат весь наш генетический материал. Они считали, что нуклеин не был достаточно сложным, чтобы содержать всю информацию, необходимую для создания генома. Как тип молекулы может объяснить все изменения, наблюдаемые внутри вида?

Альбрехт Коссель был немецким биохимиком, добившимся больших успехов в понимании основных строительных блоков нуклеина. В 1881 году Альбрехт идентифицировал нуклеин как нуклеиновую кислоту и дал ей нынешнее химическое название дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Он также выделил пять основных нуклеотидов, которые являются строительными блоками ДНК и РНК: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G), тимин (T) и урацил (U). Эта работа была удостоена Нобелевской премии 1910 года по физиологии и медицине.

В начале 1900-х годов интерес к творчеству Грегора Менделя снова возрос. Новое исследование было направлено на то, чтобы доказать или опровергнуть его теории о том, как физические характеристики передаются от одного поколения к другому.

В середине 19 века немецкий анатом Вальтер Флемминг обнаружил волокнистую структуру в ядре клетки. Он назвал эту структуру «хроматином», но на самом деле открыл то, что мы сейчас называем хромосомами. Глядя на этот хроматин, Уолтер обнаружил, что хромосомы отламываются во время деления клеток, также известного как митоз.

Теория хромосомного наследования была в основном разработана Уолтером Саттоном и Теодором Бовери. Сначала они представили идею о том, что генетический материал, передаваемый от родителей к ребенку, находится в хромосомах. Их работа помогла объяснить наследственные закономерности, которые Грегор Мендель наблюдал более века назад.

интересно, что Уолтер Саттон и Теодор Бовери фактически работали независимо в начале 1900-х годов. Уолтер изучал хромосомы кузнечика, а Теодор изучал эмбрионы круглых червей. Тем не менее, их работа, вместе с открытиями многих других ученых, объединилась в идеальную теорию хромосомной наследственности.

История открытия

Фактически открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло дважды. Первое открытие молекулы было сделано Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Как швейцарский биолог и физиолог он смог выделить большую молекулу с высоким содержанием азота и фосфора из клеток, содержащихся в гное. Он назвал свое открытие нуклеином, а затем и нуклеиновой кислотой, когда были обнаружены ее кислотные свойства.

Первоначально ученые полагали, что основная функция нуклеиновой кислоты — хранить фосфор. А гипотеза о том, что он может содержать наследственную информацию, вызвала насмешки, так как структура молекулы показалась им слишком простой и однообразной для таких функций. Также считалось, что присутствие дезоксирибонуклеиновой кислоты характерно только для клеток животных, а растения содержат только РНК. Но, в 1934-1935 годах советские биологи А. Н. Белозерский и А. Р. Кесель — это было категорически опровергнуто, а результаты их работы опубликованы в советских и мировых научных журналах.

Повторное открытие ДНК, уже как носителя наследственной информации и не только, произошло в 1944 году. Группа исследователей в составе Освальда Эйвери, Колина МакЛеода и Маклина Маккарти провела эксперименты с трансформацией бактерий и продемонстрировала, что дезоксирибонуклеиновая кислота играет важную роль роль в этом процессе .

Значение ДНК в медицине

Важность ДНК в медицине
Открытие ДНК в медицине, расшифровка этой кислоты — события, которые трудно переоценить. Большая часть сегодняшних прорывных технологий и исследований прямо или косвенно основана на этом фундаментальном открытии для науки. Если бы мы не знали гены, не было бы много современных методов лечения и диагностики, много технических изобретений. Действительно, не было бы генетики как полноценной независимой науки. Изучение клетки и ее функционирования было бы остановлено. И без этих знаний многие открытия в этой области были бы невозможны.
Сегодня знание генов помогает многим людям:
Узнавать о болезни задолго до появления первых симптомов. Раннее лечение становится все более успешным.
Найдите своих близких. Узнайте много подробностей о его жанре.
Обнаружив носителя наследственной информации, медицина может преодолеть наследственные заболевания, которые раньше казались неизлечимыми.
не исключено, что именно благодаря этому открытию человечество решит проблему многих тысячелетий и найдет эликсир бессмертия или пилюлю от всех болезней.

Как прочитать информацию, закодированную в ДНК?

Как вы читаете информацию, содержащуюся в ДНК? Как его собственное тело использует это? Сама ДНК — это некая матрица, но не простая, а закодированная. Чтобы прочитать информацию из матрицы ДНК, ее сначала передают в специальный вектор — РНК. РНК представляет собой химически рибонуклеиновую кислоту. Она отличается от ДНК тем, что может проходить через ядерную мембрану в клетку, а ДНК лишена этой способности (она может находиться только в ядре). Закодированная информация используется в самой ячейке. Следовательно, РНК является носителем информации, кодируемой ядром клетки.

Что можно узнать по молекуле ДНК

Состав ДНК человека позволяет проводить сложные генетические исследования. В ДНК закодированы такие разные черты, как цвет глаз и волос человека, рост, телосложение и многое, многое другое. Хотя ДНК каждого организма уникальна, вся ДНК состоит из одних и тех же молекул азота. Так чем же ДНК одного организма отличается от другого? Это определяется порядком, в котором находятся эти более мелкие молекулы. В свою очередь, такая раскладка в конечном итоге определяет уникальные характеристики каждого организма. Благодаря этому генетики могут изучать последовательности ДНК людей, чтобы определить:

  • наличие родства между разными людьми (у родственников совпадений в последовательностях ДНК будет больше, чем у чужих);
  • наличие мутаций в генах, которые могут вызвать проявление генетических заболеваний или предрасположенность к ним при совпадении других факторов;
  • склонность к алкоголизму и наркомании;
  • риски при определенных тяжелых физических нагрузках;
  • риски наследственных заболеваний при планировании беременности;
  • происхождение человека — его национальность, миграционный путь его предков.

Для проведения одного из этих исследований достаточно взять мазок из полости рта или из крови (для пренатальной диагностики), хотя подойдет любая другая часть тела, если невозможно получить стандартный мазок. Сроки и стоимость анализа ДНК зависят от его сложности, типа предоставленных биологических материалов и количества участников исследования.

А РНК чем занимается?

ДНК находится в ядре клетки, в специальных пакетах, хромосомах. Но основная работа по синтезу белка происходит в цитоплазме клетки, где белки собираются специальной «машиной» — рибосомой. Это связано с РНК.

Проще говоря, это так. Белок раскручивает ДНК, копирует информацию о РНК (в зеркальном отображении), а РНК передает информацию рибосоме.

В процессе этой доставки («процессинга») РНК проходит через целую последовательность преобразований, в частности, из нее вырезается информация, которая не нужна рибосоме.

Рибосома движется вдоль РНК и образует дополнительную цепь. В то же время он снова отражает информацию, возвращая ее к исходной последовательности ДНК. И уже по комплементарной цепи, расшифровывая генетический код, рибосома строит новые белки из подходящих аминокислот.

Что такое гены, какова их связь с ДНК?

Теперь давайте посмотрим, что такое гены. Известно, что существуют гены, определяющие группу крови, цвет глаз, волос, кожи и многие другие свойства нашего тела. Ген — это строго определенный участок ДНК, состоящий из определенного количества нуклеотидов, расположенных в строго определенной комбинации. Расположение в строго определенной области ДНК означает, что конкретному гену отведено свое место и изменить это место невозможно. Желательно провести такое сравнение: человек живет на определенной улице, в определенном доме и квартире, и человек не может произвольно переехать в другой дом, квартиру или улицу. Определенное количество нуклеотидов в гене означает, что каждый ген имеет определенное количество нуклеотидов и не может увеличиваться или уменьшаться. Например, длина гена инсулина составляет 60 пар оснований; ген, кодирующий выработку гормона окситоцина — 370 пар оснований.
Строгая нуклеотидная последовательность уникальна для каждого гена и строго определена. Например, последовательность AATTAATA представляет собой фрагмент гена, который кодирует продукцию инсулина. Именно такая последовательность используется для получения инсулина; Например, для получения адреналина используется другая комбинация нуклеотидов. Важно понимать, что только определенная комбинация нуклеотидов кодирует определенный «продукт» (адреналин, инсулин и т.д.). Такова уникальная комбинация определенного количества нуклеотидов, которая стоит на своем «месте» — это ген.
Помимо генов, в цепи ДНК обнаруживаются так называемые «некодирующие последовательности». Эти некодирующие нуклеотидные последовательности регулируют работу генов, помогают раскручиванию хромосом и отмечают начало и конец гена. Однако на сегодняшний день роль большинства некодирующих последовательностей остается неясной.

Оцените статью
Блог про генетику