Роль молекулы днк в бактериальной клетке: просто о сложном

Клетка, молекула, ДНК – микромир человека, жизнь внутри организма

>

ВНИМАНИЕ!!! ДАННЫЙ МАТЕРИАЛ ПЕРЕРАБОТАН, ДОПОЛНЕН И ВКЛЮЧЕН В КНИГУ «Творение или эволюция? Сколько лет Земле?». ДЛЯ ЧТЕНИЯ ПЕРЕЙДИТЕ НА СТРАНИЦУ –> ДНК, белок, клетка – сложнейший микромир

Чтоб убедиться в абсурдности самозарождения, давайте посмотрим, как устроен микромир. Отметим, что рассмотрим мы его лишь поверхностно, так как он чересчур сложен.

Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов. Она обладает собственным обменом веществ, способна к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.

Естественно, клетка может существовать и выполнять свои функции, если все эти структуры созданы одновременно.

Молекула белка (протеина) состоит из 50 – 40000 соединенных между собой аминокислот.

Рис. Принцип строения белка из аминокислот

Причем разнообразие белковых структур, создаваемых из 20 видов аминокислот, трудно переоценить. Так, цепочка из 100 аминокислот (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10 в 130 степени вариантах, попросту говоря, 10 и 130 нолей.

Для примера: в мировом океане 10 в 40 степени молекул воды (10 и 40 нолей). Причем, месторасположение каждой аминокислоты в структуре белка имеет огромное значение, как в компьютерной программе.

Если хоть один элемент переставить местами, молекула протеина не будет работать, а значит, не сможет функционировать и выполнять свое предназначение и клетка, то есть часть организма, в которой нужны клетки с этими белками не будут работать.

Представьте, как ничтожно мала возможность спонтанного появления самого простого протеина и тем более конкретного который нужен клетке и как следствие организму! А ведь для функционирования простейших клетки и организма нужны тысячи различных протеинов.

Без рибосом и РНК аминокислоты не могут соединиться в протеин, тем более именно в такой, какой необходим на данном этапе конкретной клетке. РНК берет информацию об этом нужном белке из ДНК, а рибосомы выступают в качестве строительной площадки.

Рис. Синтез белка в клетке

И лишь один вариант позволит создать Вас лично – со всеми правильно функционирующими органами и индивидуальными качествами. Ученые-материалисты считают, что земле 4,5 млрд. лет. Этот период времени соответствует 10 в 25 степени секунд.

То есть, если каждую секунду придумывать один вариант ДНК, то и возраста Земли не хватит, для того чтоб создать одну функционирующую ДНК. Но дело не только в колоссальной сложности ДНК. Дело в том, что ДНК является программой, которую можно сравнить с компьютерным кодом.

Только этот код по своей величине и сложности превосходит программы, созданные человеком. Знаменитый программист Билл Гейтс так говорил о ДНК: “Человеческая ДНК подобна компьютерной программе, только бесконечно совершеннее”. Задумайтесь, раз есть программа, то нужен и считывающий механизм, иначе любая программа всего лишь мусор.

Делиться молекуле ДНК позволяет ее строение. Она состоит из двух параллельных идентичных ниток нуклеотидов, связанных слабой химической водородной связью. Когда молекула делится, цепочка разрывается, оставляя всю информацию в каждой из полученных новых клеток.

Рис. Структура ДНК

Кто создал материал для клетки? Кто соединил этот материал в клетку? Кто придумал различные – отличающиеся друг от друга, предназначенные для разных функций, но небоходимые каждому организму клетки.

Кто записал информацию в виде программы в ДНК? Кто создал механизм для прочтения и выполнения этой информации? О гениальной сложности клетки снят научно-документальный фильм ” Чудо в клетке (чудо клетки)”, в котором в виде анимации показано какие архисложные происходят внутри клетки процессы. Существует множество видеоматериалов об этом “Жизнь клетки”, “Мир клетки” и др.

Сегодня многие ученые осознают невероятную сложность строения клетки и в целом организма. Часть из них встают на сторону креационистов.

Но многие верят в случай. Таким образом мы видим не противостояние ученых против религии, а две религии – 1) вера в Бога и творение и 2) вера в случайное счастливое зарождение жизни и ее дальнейшее саморазвитие. Но даже простого разума достаточно, чтоб понять практическую невозможность последнего.

Подумайте, как миллионы неживых элементов с помощью химических связей сорганизовались в сложные огромнейшие структуры ДНК, РНК, рибосомы, белки и т.д.

, соблюдая строго определенную последовательность (в том числе, программу), а затем, “продумав” и “распределив” между собой взаимодействия, окружив себя оболочкой, создали из себя живой организм – клетку с огромнейшими разнообразными возможностями и функциями.

Как затем клетки, делясь, расползались не в кисель, а создавали отдельные органы, ткани, кости, сосуды, мозг, которые сложно взаимодействуя между собой, образовывали жизнеспособный и способный к самовоспроизведению организм. Откуда появился мужской род и женский? Если предположить, что мы произошли от амебы, то правильнее была бы теория деления.

Как в процессе эволюции внутри вида его представители делились постепенно на мужской род и женский, причем сохраняя жизнеспособность и приобретая возможность уникального воспроизведения себе подобных, да еще разными способами (внутреннее, внешнее, двойное оплодотворение…)? Как появлялись на свет новые существа, например, млекопитающие, когда строение женского и мужского организмов еще только находилось в процессе разделения и развития? Ведь недоразвитые спермотозоиды, яйцеклетки и матка просто не способны создать живое существо. Как разнополые существа и их органы развивалось параллельно будучи при этом жизнеспособными. Сегодня мы видим, что даже малое отклонение или заболевание в сперматозоидах, яйцеклетках и матке делает человека бесплодным. А говоря об эволюционном развитии, просто неизбежно постепенное совершенствование всего как внешнего так и внутреннего, в том числе и органов размножения. Как размножались недоразвитые существа с недоразвитыми органами размножения и как размножались промежуточные формы? Ответа на эти вопросы у материалистов нет, да и не может быть.

Здесь уместно вспомнить о риторическом вопросе, на который материалисты никогда не смогут найти ответа: “Что было ранее курица или яйцо?”. Не смотря на кажущуюся комичность вопроса, он очень серьезен. Курица, не могла бы появиться без яйца – совершенного устройства для образования эмбриона, роста зародыша и развития его в курицу. Так и яйцо не могло появиться вдруг неоткуда без курицы. Данная взаимоисключающая аналогия накладывается и на другие спорные моменты материалистической теории эволюции. Как было выше отмечено, любой организм имеет ДНК, в которую записана вся информация о нем. Без этого готового ДНК с заложенной в него информацией не было бы этого совершенного организма. Так и ДНК можно взять только из уже созданного существа.

Сэр Фред Хойль профессор астрономии в Кембридже посвятил много времени математическому вычислению возможности случайного возникновения жизни и впоследствии заявил: «Скорее смерч, промчавшийся через кладбище старых автомобилей, может собрать «Боинг-747» из хлама, поднятого в воздух, чем из неживой природы сможет возникнуть живая».

СЛОЖИВШАЯСЯ УБЕЖДЕННОСТЬ

ТЕОРИЯ ДАРВИНА

ОПЫТ МИЛЛЕРА

КЛЕТКА, МОЛЕКУЛА, ДНК – МИКРОМИР ЧЕЛОВЕКА, ЖИЗНЬ ВНУТРИ ОРГАНИЗМА

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ. СЛОЖНЕЙШИЕ ОРГАНИЗМ И ОРГАНЫ ЧЕЛОВЕКА. МИКРО И МАКРОЭВОЛЮЦИЯ

РОЛЬ МУТАЦИИ В ЭВОЛЮЦИИ. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР

ПОЧЕМУ НЕ НАХОДЯТ В ЗЕМЛЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ, ИСКОПАЕМЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ФОРМЫ??

ОБЕЗЬЯНЫ НЕ ПРЕДКИ ЧЕЛОВЕКА. НЕТ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФОРМ

ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА, ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. РАЗОБЛАЧЕНИЕ ЭВОЛЮЦИИ НА ЗЕМЛЕ

СКОЛЬКО ЗЕМЛЕ ЛЕТ? ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ:

     Радиоуглеродный метод ошибается

     Магнитное поле Земли ослабевает

     «Проткнутые» слои

     Эрозия почв на начальном уровне

     Содержание гелия невысоко

     Возраст Луны меньше 10000 лет

     Прирост населения соответствует Библейскому возрасту земли

     Луна недалеко от Земли

     Ледовые кольца показывают не годы

     Коралловый риф рос меньше 5000 лет

     Динозавры надежные свидетели

     Все люди произошли от одной пары

     Пласты содержат результаты жизнедеятельности людей

     Цивилизациям и письменности менее 5000 лет

     Слои Земли не имеют собственной датировки. Геологические слои. Геохронологическая шкала

     Отсутствие научных доказательств. Кент Ховинд

     Вывод

Источник: http://apologetica.ru/staty1-04.html

Как бактерии отличают свою ДНК от вирусной

Молекулярный мусор помогает бактериальной клетке запоминать последовательности из вирусных генов, чтобы впоследствии использовать их для отражения вирусной атаки.

Мы с детства помним картинку из школьного учебника: вирус-бактериофаг с «головой»-многогранником, стебельчатым «туловищем» и несколькими «ножками», похожий на какой-то загадочный аппарат, садится на бактериальную клетку и впрыскивает в неё свой геном.

Последствия операции – в клетке появляются новые вирусные частицы (всё те же «головы», «туловища» и «ножки»), которые в конце концов разрушают бактерию. Она кажется нам совершенно беззащитной перед вирусной атакой но было бы действительно странно, если бы бактериальные клетки не обзавелись противовирусной «системой сдерживания».

Бактериофаги под электронным микроскопом. (Фото Dr. Harold Fisher / Visuals Unlimited / Corbis.)

Бактериофаги на кишечной палочке.(Фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc. / Visuals Unlimited / Corbis.)

Реплицирующаяся ДНК – два репликационные пузыри образовались там, где идёт синтез второй копии молекулы. (Фото Dr. Gopal Murti / Visuals Unlimited / Corbis.)

‹

›

Такие системы действительно есть, и одну из них, под названием CRISPR/Cas, часто называют бактериальным иммунитетом – потому что с её помощью бактерия может запоминать информацию о вирусах и использовать её для защиты от будущих инфекций. То есть здесь у нас есть аналог иммунной памяти многоклеточных животных.

Работает она так: в бактериальной хромосоме есть участок CRISPR, сокращённо от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – короткие палиндромные повторы в ДНК, регулярно расположенные группами. Повторы перемежаются другими последовательностями, которые происходят из генома бактериофагов. Это и есть «иммунная память».

Любая защитная система должна отличать своих от чужих.

Наш иммунитет не должен атаковать здоровые клетки тела, соответственно, бактериальная система CRISPR/Cas должна как-то чувствовать разницу между ДНК вируса и ДНК самой бактерии ещё на стадии «запоминания».

На самом деле, у бактерий есть и «аутоиммунные заболевания», когда система противовирусной защиты начинает повреждать их собственную ДНК, однако такие случаи весьма редки. То есть механизм различения «свой-чужой» всё же работает.

Как именно он работает, выясняли исследователи из Института Вейцмана  и Тель-Авивского университета.

) С помощью белков Cas1 и Cas2 (которые входят в систему CRISPR/Cas) бактерия встраивала ДНК плазмиды в хромосому, причём именно туда, где должна храниться информация о вирусной инфекции.

 

Оказалось, как пишут Ротем Сорек (Rotem Sorek) и его коллеги в Nature, система CRISPR и её белки Cas1 и Cas2 распознавали именно ту ДНК, которая слишком активно удваивалась. А ведь это вирусная стратегия: любой ценой создать как можно больше копий своего генома. Иными словами, если молекулярные компоненты CRISPR/Cas чувствовали ДНК, которая быстро размножается, то система делала вывод, что в клетку проник вирус и его нужно запомнить. Но как именно происходило узнавание?

При репликации ДНК в ней неизбежно случаются повреждения, разрывы, которые тут же ремонтируются репарационными машинами. Репарирующие ферменты сначала обрабатывают место повреждения так, чтобы его удобно было ремонтировать, а потом уже собственно ликвидируют разрыв. Вот в процессе подготовки к ремонту от ДНК и остаются фрагменты, которые «иммунная система» бактерий может подхватить и вставить в свою «библиотеку вирусов». С другой стороны, в бактериальной ДНК есть определённые сигнальные последовательности, которые говорят репарирующей машине, когда нужно прекратить улучшать место повреждения. Такие стоп-сигналы уменьшают количество ДНК-обрезков, которые может использовать система CRISPR/Cas. И – самое главное – таких стоп-сигналов много в ДНК бактерий, но почти нет в ДНК вирусов. То есть при ремонте вирусной ДНК молекулярного мусора образуется много, а при ремонте бактериальной ДНК – намного меньше. 

Получается, что бактериальные клетки используют два самых обычных процесса, репликацию и репарацию, чтобы отличить свою ДНК от чужой; но, кроме того, у них есть ещё и маркеры – специальные нуклеотидные последовательности, которые помогают оптимизировать процедуру и сделать её более эффективной.

Защитную систему CRISPR/Cas обнаружили всего несколько лет назад, и она мгновенно стала исследовательским «хитом». Дело не только в том, что, воздействуя на иммунитет вредных бактерий, мы можем подавить их рост с помощью бактериофагов, и тем самым уменьшить вероятность заболеваний. С помощью CRISPR/Cas, как оказалось, можно редактировать геномы животных – разумеется, для этого молекулярные составляющие системы программируются на распознавание участков в ДНК крысы или обезьяны. Год назад китайские специалисты из Нанкинского медицинского университета получили таким образом геномодифицированых макак-крабоедов, правда, модификацию осуществляли ещё на стадии эмбриона. Молекулярные инструменты «бактериального иммунитета» позволяют избавиться от вредных мутаций, заменять больной ген здоровым и т. д. Учитывая количество работ, посвящённых CRISPR/Cas, можно надеяться, что в скором времени редактирование генома человека, даже вполне взрослого, станет рутинной процедурой.

Источник: https://www.nkj.ru/news/26203/

Просто о сложном: ДНК – что это?

Пожалуй, немногие обычные люди знают о том, что в календаре существует праздник под названием Международный день ДНК.

Дата 25 апреля учреждена в честь дня в 1953 году, когда свет увидели первые статьи, рассказывающие об открытии молекулярной структуры ДНК авторов Джеймса Уотсона, Фрэнсиса Крика, Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин. А впервые праздник был отмечен мировым научным сообществом в 2003 году – к полувековому юбилею открытия.

ДНК в последнее время стала естественной составляющей самых разных сфер жизни. Ученые ее активно исследуют, обсуждают, даже пытаются воспроизвести. А в обычной жизни все о ней слышали, но мало кто четко представляет, что же это такое.

Пытаясь осмыслить масштаб ДНК, любопытные ученые подсчитали, что если раскрутить спирали основополагающей молекулы всех клеток человека, то она растянется на 16 миллиардов километров – это примерное расстояние от Земли до Плутона и обратно. Всего в двух граммах ДНК уместится вся цифровая информация, накопленная на нашей планете. А чтобы просто напечатать геном человека, придется 50 лет по 8 часов в день набивать по одному знаку в секунду.

Молекула ДНК одной клетки человека имеет длину около 2 метров. При этом вся она умещается в клеточном ядре, которое в миллион раз меньше и измеряется всего одним микрометром. Для того, чтобы «затолкать» огромную ДНК в крохотное ядро, у природы существуют специальные механизмы, обеспечивающие изгибание двойной спирали ДНК.

Кажется невероятным факт, что ДНК всего живого на Земле во многом одинакова. Например, 50 процентов человеческого ДНК идентичны ДНК банана, число генов у человека лишь не намного больше числа генов у круглого червя, а длина молекул человеческой ДНК в тридцать раз меньше, чем у саламандры или лилии. Подобные открытия ученых лишь подтверждают идеи самых разных религий, что все живое на Земле имеет одно начало и равную ценность.

Если говорить совсем простыми словами, то ДНК – это «кирпичик», из которого строится тело каждого живого существа. В последнее время ученые, найдя этот строительный материал, задумываются о том, чтобы при помощи ДНК попытаться построить организм самостоятельно.

С религиозной точки зрения это покушение на функции Бога. С этической – на неприкосновенность ценности человеческой жизни. С научной стороны также возникает масса проблем. Но наука не стоит на месте. Изучение ДНК и генов человека – это не  просто научные эксперименты. На основе полученных знаний строится новейшая медицина, которая в будущем, возможно, сумеет преодолеть многие страшные и неизлечимые болезни человечества.

Источник: http://www.uvelka.ru/cact/prosto-o-slozhnom-dnk-chto-eto-.html

Мир вирусов, последний общий предок и происхождение ДНК / Биогенез // Михаил Никитин ≪ Scisne?

Никитин М.А.
«ХиЖ», 2013, №8

В предыдущих статьях мы восстанавливали картину древних событий по косвенным данным, например по результатам химических экспериментов. Теперь мы переходим к строению протоорганизмов, к попыткам установить, каким мог быть последний общий предок, он же LUCA (Last Universal Common
Ancestor). Этот вопрос отчасти доступен прямому изучению методами сравнительной геномики.

Протоорганизмы цинкового мира дали начало двум весьма разным группам клеток — бактериям и археям. Кроме того, из сообщества протоорганизмов выделились несколько групп вирусов, и часть их древнее, чем разделение предков бактерий и архей. Сравнительная геномика позволяет нам строить родословные деревья генных семейств — устанавливать родственные связи между вариантами одного и того же гена у различных организмов и представлять их в виде древовидной структуры, примерно так же, как изображают связи между видами, отрядами и классами. Если дерево генного семейства совпадает с деревом одноклеточных организмов — на нем есть две
отдельные большие ветви, бактериальная и архейная, — это веский аргумент в пользу того, что и последний общий предок имел гены данного семейства. Если же дерево генов имеет другой вид, значит, эволюционная история этого генного семейства была сложнее. Например, некоторые архейные представители генного семейства встречаются на бактериальной ветви и присутствуют в меньшинстве архей. Можно предположить, что ген зародился в линии бактерий, а затем произошел его горизонтальный перенос
в некоторые группы архей. Напомним, что в отличие от вертикального переноса — передачи генов потомкам — есть и горизонтальный, когда генетический материал передается другому организму.

Вирусы, по-видимому, сопровождают остальные формы жизни со времен РНК-мира. Разнообразие их огромно — одно- и двухцепочечные ДНК-вирусы, ретровирусы, двухцепочечные РНК- вирусы, одноцепочечные РНК-вирусы с плюс- и минус-геномом… Их механизмы репликации столь же разнообразны, и
не очень понятно, как одни могли произойти из других. Однако есть несколько характерных генов, которые встречаются во всех классах вирусов, а у клеточных организмов — никогда. Это JRC (jelly roll capsid protein) — один из типов капсидных белков, хеликаза S3H, инициирующая репликацию разных типов вирусных геномов, и упаковочная ATФаза, переносящая ДНК и РНК в собранные капсиды с затратой АТФ. Широкое распространение их генов означает, что вирусы с древнейших времен составляли единый «вирусный мир» и обменивались между собой генами, если
одновременно заражали одного хозяина.

Следовательно, геном общего предка был достаточно велик — не менее миллиона пар нуклеотидов (для сравнения: длина генома кишечной палочки —
около 4 миллионов пар нуклеотидов, длина самых маленьких геномов — паразитических бактерий рода Mycoplasma — около 700 тысяч пар нуклеотидов). У современных вирусов РНК-геномы не превышают 30 тысяч пар
нуклеотидов, тогда как ДНК-геномы достигают 1,2 миллиона.

Что ограничивает размер РНК-геномов? Во-первых, цепь РНК легко разрывается ионами железа, щелочами и просто при высокой температуре. Во- вторых, одно из азотистых оснований — цитозин — в воде постепенно теряет аминогруппу (дезаминируется), превращаясь в другое основание, урацил. В-третьих, при образовании шпилек в РНК нередко возникают каталитические активные участки, которые катализируют собственное разрезание.

Все эти недостатки РНК устранены в ДНК. Она содержит дезоксирибозу, не имеющую 2'-гидроксильных групп, с которых начинается большинство реакций гидролиза. Эти же гидроксильные группы важны для каталитической активности РНК, поэтому ДНК в отличие от РНК не образует саморазрезающихся рибозимов. Наконец, вместо урацила в ДНК содержится его метилированный аналог — тимин, поэтому урацил, образовавшийся при дезаминировании цитозина, легко можно обнаружить и починить.

Как показано в ранних работах Манфреда Эйгена (еще в 1977 году он вместе с Петером Шустером предложил теорию гиперциклов, описывающую возможные пути самоорганизации молекул в пребиотическом мире), для поддержания структуры живой системы необходимо, чтобы в каждом новом поколении появлялось в среднем не более одной значимой, то есть сильно влияющей на приспособленность, мутации. Все современные организмы от мельчайших вирусов до бактерий (размеры геномов от 5 тысяч до 5 миллионов нуклеотидов) имеют частоту мутаций чуть ниже порога Эйгена, в пределах 0,5—1 за поколение. Животные и растения с большими геномами обошли это ограничение за счет избыточности многих генов и полового размножения (так, у человека в среднем происходит 30 новых мутаций за поколение), но вряд ли эти механизмы работали в РНК-мире.

Частота мутаций складывается из двух факторов: частоты ошибок полимеразы, копирующей геном, и частоты повреждений генома между репликациями. Точность работы РНК-зависимой РНК- полимеразы может быть выше, чем у современных вирусов, — в экспериментах по искусственному отбору точность РНК-полимеразы вируса желтой лихорадки была доведена до единственной ошибки на 5 миллионов нуклеотидов, почти как у бактериальных ДНК-полимераз («Journal of Virology», 2004, 78, 2, 1032—1038 .
doi: 10.1128/JVI.78.2.1032-1038.2004). Но остается уязвимость РНК к гидролизу и дезаминированию цитозина: она-то и ограничивает РНК-геномы размером порядка 100 тысяч пар нуклеотидов.

Реакция синтеза дезоксирибозы очень сложна, связана с образованием опасных радикалов и катализируется сложными ферментами. Поэтому между РНК- и ДНК-геномами, скорее всего, были промежуточные стадии, простые в синтезе, но дающие преимущество в стабильности. Одной из таких промежуточных стадий мог быть метил-РНК-геном («Chemistry and Biology», 2000, 7, 12, R207—R216, doi: 10.1016/S1074-5521(00)00042-9).
В современных рибосомных и некоторых других клеточных РНК отдельные 2'-гидроксильные группы рибозы метилированы. Это блокирует «паразитные» каталитические активности и защищает цепь РНК от гидролиза в этом месте.
У архей и эукариот молекулы РНК метилирует один фермент при помощи «направляющих» малых ядрышковых РНК (мяРНК, snoRNA). Метилируется до 1—2% нуклеотидов рибосомной РНК в клетках, а в пробирке в отсутствие мяРНК тот же фермент может прометилировать до 8% нуклеотидов. Стабильность метил-РНК-генома могла отодвинуть предел Эйгена в несколько
раз по сравнению с РНК-геномом — возможно, до 300 тысяч пар нуклеотидов.

Однако и такой размер генома недостаточен для кодирования всех белков, которые были у LUCA. Чтобы разрешить это противоречие, а также удивительное наличие дублирующих биохимических путей у одного организма,
выдвигались радикальные идеи относительно неклеточной природы общего предка. Его представляли, например, в виде реплицирующихся генетических элементов, населяющих микронного размера поры в сульфидных отложениях горячих источников, где минеральные стенки отделяют протоклетки друг от друга, выполняя функцию мембран («Philosophical Transactions of the Royal Society, B, Biological Science», 2007, 362, 1887—1925, doi: 10.1098/rstb.2006.1881).
Подобная стадия наверняка была в начале эволюции РНК-мира. Но в реконструированном наборе генов LUCA имеются гены мембранных белков, таких как вращающаяся АТФаза, — а значит, мембраны у него были.

Источник: https://scisne.net/a-1098?pg=8

Как клетка чинит свою ДНК?

Химическое строение нуклеотидов. ДНК и РНК сложены из нуклеозид монофосфатов, причём каждый фосфат (остаток фосфорной кислоты) соединяется ещё и с рибозой следующего, соседнего нуклеотида.

В состав РНК вместо тимина входит урацил. 

Химическое строение нуклеотидов. ДНК и РНК сложены из нуклеозид монофосфатов, причём каждый фосфат (остаток фосфорной кислоты) соединяется ещё и с рибозой следующего, соседнего нуклеотида.

В состав РНК вместо тимина входит урацил. 

Кроме того, A, T, G и C могут образовывать водородные связи друг с другом. Благодаря спариванию нуклеотидов образуется двойная спираль: основания одной цепочки взаимодействуют с основаниями другой цепочки.

Взаимодействуют не абы как, а в соответствии со строгим правилом: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. Комплементарное спаривание нуклеотидов поддерживает правильную структуру всей молекулы.

Понятно, что, если ген зашифрован в одной цепи, то в другой цепи порядок нуклеотидов будет как бы зеркальным по смыслу, — это называют смысловой и антисмысловой последовательностями. 

так, что никакого разрыва нет, просто азотистое основание вдруг подверглось химической модификации, и теперь оно совсем не то, каким должно быть. В подобных случаях в клетках существует сразу несколько ремонтных систем. 

Дефекты в ДНК могут появиться под действием жёсткого ионизирующего излучения или ультрафиолета.

Ещё в 20-е годы прошлого века выдающийся американский генетик Герман Мёллер обратил внимание на то, что бактерии после обработки рентгеновскими лучами перестают расти и гибнут.

(Впоследствии Мёллер стал лауреатом Нобелевской премии по медицине за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского излучения.) 

В 1944 году благодаря экспериментам Освальда Эвери, Колина Маклеода и Маклина Маккарти стало ясно, что за наследственность в клетке отвечает ДНК (хотя, как именно у неё получается хранить наследственную информацию, не было понятно до 1953 года, когда Уотсон и Крик опубликовали статью с описанием структуры ДНК).

В 1950-е годы стало ясно, что ультрафиолет вредит именно ДНК и что у бактерий и дрожжей есть некий фермент, который на свету ликвидирует нанесённый ущерб. 

Вскоре к «световой» репарации, то есть фотореактивации, добавилась «темновая», которая шла хоть на свету, хоть в темноте.

Заодно удалось понять, чем именно плох ультрафиолет: эксперименты Джейн и Ричарда Сетлоу показали, что УФ-излучение сшивает рядом стоящие в одной цепочке ДНК основания тимины (генетическая «буква» T) в димеры.

Тиминовые димеры мешают молекулярным машинам работать с ДНК, однако вскоре исследователи обнаружили, что бактерии (все подобные эксперименты ставили поначалу на бактериях либо на дрожжах) избавляются от модифицированных оснований, попросту вырезая их из ДНК, и что эта процедура не связана с репликацией. Стало ясно, что у клеток есть особый, независимый от других молекулярных процессов механизм, названный эксцизионной (от англ. excision — удаление, ликвидация, вычёркивание) репарацией нуклеотидов, ЭРН или NER (nucleotide excision repair). 

Оставалось самое сложное — понять, как именно такая репарация работает. 

Эксцизионная репарация нуклеотидов включается при повреждениях ДНК, случившихся, например, из-за УФ-облучения или под воздействием канцерогенных веществ табачного дыма 

Тут пришла пора вспомнить про первого из нынешних лауреатов, Азиза Санджара (Aziz Sancar). Он родился в Турции в 1946 году, окончил медицинский факультет Стамбульского университета, после чего перебрался в США, где занялся биохимией.

В Техасском университете в Далласе Санджар включился в исследования фотореактивации и ему даже удалось найти ген фермента, который отвечает за «световую» репарацию, и получить первые результаты по характеристике этого белка, который был назван фотолиазой.

Перебравшись сначала в Йельский университет, а потом в университет Северной Каролины в Чапел-Хилл, он занялся механизмом эксцизионной репарации нуклеотидов.

К тому времени уже были определены гены, кодирующие для неё белки, uvrA, uvrB и uvrC, но для того, чтобы выяснить детали процесса, нужно было определить, что за белки соответствуют этим генам, а подобная задача в те времена (конец 1970-х — первая половина 1980-х) была ещё весьма непростой. 

И вот Санджар придумывает метод, позволяющий выловить нужные молекулы из массы белков, плавающих в цитоплазме бактерии.

Он вставляет ген в плазмиду — особую молекулу ДНК, которую можно ввести в клетку, где плазмида будет существовать вместе с бактериальной хромосомой, причём она будет независимо от хромосомы удваиваться (реплицироваться) и на ней будут синтезироваться РНК для белкового синтеза.

Фокус же в том, что такую плазмиду вводили в клетки, в которых хромосома была инактивирована; вдобавок в питательную среду, в которой жили бактерии, вносили радиоактивную метку, включавшуюся в белковые молекулы при их синтезе.

В результате получалось, что весь новосинтезированный белок можно было детектировать по радиоактивности и весь он происходил с плазмиды — хромосома-то молчала. Вставляя в плазмиду uvrA, uvrB и uvrC, Санджару и его коллегам удалось определить соответствующие белки, после чего уже стало понятно, как их можно очистить в количестве, достаточном для последующих опытов. 

В 1983 году выходит статья с описанием механизма NER, который впоследствии ещё несколько раз уточнялся. Сейчас мы знаем, что всё начинается с белкового комплекса, состоящего из двух экземпляров UvrA и одного UvrB: они сканируют ДНК на предмет повреждений, пока UvrA что-нибудь такое не найдёт.

Причём участок этот вырезается с запасом — дефектные нуклеотиды находятся примерно в центре фрагмента длиной в 12—13 «букв».

Ещё один белок, UvrD, помогает удалить вырезанный фрагмент, после чего в дело вступает фермент ДНК-полимераза, — она синтезирует «заплатку» к дыре в повреждённой цепи по шаблону той цепи, которая осталась целой, руководствуясь принципом комплементарности нуклеотидов. Завершают всё другие ферменты, пришивающие «заплатку» к её месту в ДНК. 

Поначалу из повреждений ДНК, которые могли быть причинены УФ-излучением, были известны только тиминовые димеры, но потом оказалось, что таких дефектов существует довольно много. Все они распознаются аппаратом эксцизионной репарации нуклеотидов.

Правда, с течением эволюции увеличилось число молекул-«исполнителей», отвечающих за распознавание повреждения и разрезание ДНК: у бактерий их всего три, а в человеческих клетках под те же задачи выделено целых 15 различных белков. 

Если мутации коснутся самих белков эксцизионной репарации, то это может привести к пигментной ксеродерме, — так называют наследственное заболевание кожи, проявляющееся повышенной чувствительностью к ультра-фиолетовому облучению; в дальнейшем всё может закончиться раком. Изучение ксеродермных мутаций помогло в своё время установить, какие белки отвечают за репарацию в человеческих клетках. 

В этом большую роль сыграли исследования Джеймса Кливера, Ричарда Вуда и самого Санджара. Он, между прочим, после того, как раскрыл механизм «теневой» репарации, и параллельно с дальнейшими её исследованиями, нашёл время вернуться к своей старой теме, связанной с фотореактивацией.

 

Фотореактивация есть у бактерий, архей, дрожжей, насекомых, но у человека, как и у многих высших эукариот, ничего такого нет. Пока что мы говорили о нуклеотидных мутациях, случившихся в из-за внешнего воздействия — ультрафиолетового или ионизирующего излучения.

До поры до времени биологи думали, что в отсутствие таких жёстких факторов ДНК вполне стабильна.

Однако уже в 1970-е годы стало понятно, что её стабильность заметно преувеличена: эксперименты шведского биохимика Томаса Линдаля (Tomas Lindahl), второго нынешнего лауреата премии по химии, показали, что и в обычных физиологических условиях азотистые основания в ДНК теряют аминогруппы, претерпевают окисление и безо всякой помощи ферментов приобретают метильные группы. Одно из самых характерных изменений происходит с цитозином (генетическая «буква» C): он спонтанно теряет аминогруппу, после чего превращается в основание урацил (U), который является аналогом тимина. Цитозин, как мы помним, комплементарно спаривается с гуанином, но у урацила, как и у тимина, в напарниках аденин. После превращения C в U в этом месте ДНК возникнет неправильное нуклеотидное спаривание, последовательность кода окажется нарушенной. При синтезе новой цепи ДНК во время репликации или при синтезе РНК во время транскрипции ошибка либо перейдёт в следующее поколение, либо испортит белок. Похожие проблемы возникают и при других модификациях азотистых оснований. 

Линдаль заметил, что урацил появляется в ДНК достаточно часто, однако никакой катастрофы не происходит. Иными словами, в клетке должен быть механизм, который такие ошибки исправляет.

Линдалю удалось в буквальном смысле в одиночку найти бактериальный фермент урацил-ДНК-гликозилазу, которая точечно вырезала неправильное основание из цепи ДНК; вскоре к ней добавилась ещё одна гликозилаза, выщеплявшая метилированный аденин.

Сейчас таких ферментов открыто уже много, все они входят в механизм эксцизионной репарации удалением повреждённых оснований, ЭРО или BER (base excision repair). 

Эксцизионная репарация оснований включается при спонтанных химических модификациях азотистых оснований. 

Название похоже на эксцизионную репарацию нуклеотидов, однако у них есть важное отличие: если при эксцизионной репарации нуклеотидов из ДНК полностью выщепляется нуклеотид, и не один, а целая шеренга, то здесь гликозилазы отделяют собственно неправильное, модифицированное азотистое основание, саму «букву»; сахарофосфатный остов же остаётся нетронутым. Но лишь на время — вслед за гликозилазами к месту дефекта приходят другие ферменты из группы эндонуклеаз, которые специализируются именно на таких точках, где есть сахар, есть фосфорная кислота, но нет азотистого основания (некоторые из них были описаны ещё за два года до того, как Линдаль открыл свои гликозилазы). Эти эндонуклеазы вырезают оставшиеся компоненты нуклеотида, то есть фосфорную кислоту и присоединённый к ней сахар. Затем появляется ДНК-полимераза, которая подбирает для образовавшейся дыры правильный нуклеотид, согласно принципу комплементарности, и специальные ферменты вшивают его на место. 

Сейчас известно огромное количество различных неправильных модификаций оснований (одних только окислительных дефектов насчитывается более сотни), возникают они не только спонтанно, «сами по себе», но и под действием внешних факторов, вроде ионизирующего излучения.

Большую их часть ликвидирует именно аппарат BER, в котором главную роль играютгликозилазы, специализирующиеся на узнавании тех или иных неправильных азотистых оснований. 

Пол Модрич, третий нобелевский лауреат, раскрыл ещё один механизм репрации, непосредственно связанный с репликацией ДНК. Молекулярные машины, которые занимаются репликацией, выполняют её не со стопроцентной точностью, то есть в синтезируемые цепочки всё-таки вкрадываются кое-какие ошибки, появляются неправильно спаренные основания.

У репликативного аппарата есть, скажем так, встроенная способность исправлять собственные ошибки, но всё равно какие-то из них остаются. И вот тогда в дело вступает репарация ошибочно спаренных нуклеотидов, или мисмэтчрепарация (от англ. mismatch — плохое сочетание, несоответствие).

Здесь речь идёт не о модифицированных основаниях, как в предыдущем случае, а о вполне обычных, стандартных A, G, C и T, которых вдруг поставили напротив неправильного соседа. 

Впервые сам феномен исправления ДНК с плохими парами нуклеотидов заметили ещё в 1960-е годы, а в 1976 году американские исследователи Роберт Вагнер и Мэтью Мезельсон сделали важное наблюдение: оказалось, что исправления происходят только в одной из двух цепочек ДНК.

Это кажется вполне логичным: ведь неправильные нуклеотиды появляются только в новосинтезированной цепочке, и старую, то есть ту, которая служит шаблоном, исправлять совсем не надо.

Пол Модрич начинал с исследований ферментов ДНК-метилтрансфераз (или ДНК-метилаз) у бактерий.

Их функция состоит в том, чтобы метильными группами метить основания в бактериальной ДНК: если потом в клетку проникнет вирус, то его ДНК будет уничтожена как не имеющая защитных метильных меток.

Ферменты ставят метилы на обе цепи ДНК, однако при репликации новая цепь какое-то время остаётся без метильных групп, и вот тут её как раз могут проверить машины мисмэтч-репарации. 

К тому времени генетики уже обнаружили гены, необходимые для этого процесса, названные mutH, mutL, mutS и uvrD.

Теперь нужно было расшифровать сам механизм, что и было сделано за несколько лет работы: в 1989 году Пол Модрич публикует статью, в которой описывает работу белков мисмэтч-репарации в реакционной смеси, in vitro. 

Один из них, MutS, узнаёт неправильное соответствие нуклеотидов в ДНК, другой, MutH, определяет место, где на одной цепи есть метильная группа, а на другой — нет. Расстояние между полуметилированным участком и тем местом, где случилось неправильное спаривание нуклеотидов, может достигать 1000 «букв».

Затем подключается UvrD, который представляет собой хеликазу, то есть фермент-расплетатель: он разворачивает двойную спираль, помогая вытащить фрагмент цепи с дефектом. 

Дополнительные белки помогают его удалить, а образовавшуюся дыру — залатать, используя как шаблон для латки всё ту же старую, родительскую, цепь ДНК (на этом этапе мисмэтч-репарация напоминает санджаровскую репарацию нуклеотидов, где тоже из ДНК удаляется целый фрагмент с повреждением).

Впоследствии оказалось, что такой механизм весьма консервативен, он относительно мало менялся в ходе эволюции. В 2004 году Пол Модрич сумел собрать из очищенных компонентов человеческую систему мисмэтч-репарации, подобно тому, как в 1980-е он собрал бактериальную систему.

Правда, пока непонятно, как у эукариот репаративная машина отличает правильную новую цепь ДНК от неправильной старой. Метилирование тут уже явно ни при чём, у эукариот оно нужно для других вещей. 

Источник: http://scientifically.info/news/2015-11-29-3208

Популярно о генетике

Прежде всего ученые попытались разделить большую полимерную молекулу ДНК на составные части. Оказалось, что она состоит из простых соединений – нуклеотидов. Воздействуя муравьиной кислотой и повышенной температурой, удалось расчленить нуклеотид на три компонента: пентозный сахар, фосфорную кислоту и азотистые основания четырех разновидностей (гуанин, цитозин, аденин и тимин).

Костяк нуклеотида – сахарно-фосфатный комплекс. Это последовательное чередование пентозного сахара и остатка фосфорной кислоты. К каждой пентозе присоединяется азотистое основание. Связи между нуклеотидами строго однотипны и осуществляются за счет образования фосфатного мостика между гидроксильной группой и углеводным остатком.

Основания встречаются в четырех разных видах и чередуются произвольно. Нуклеотидов также четыре типа, их название определяется основанием (например, нуклеотид с аденином называется дезоксиадениловой кислотой).

отдельных нуклеотидов.

В начале 40-х годов появились сообщения, что плоскости оснований, по-видимому, перпендикулярны оси ДНК. С помощью дифракции рентгеновских лучей было подтверждено, что нуклеотиды расположены один над другим столбиками, а основания упакованы внутри них, как стопка монет.

Важный результат химического анализа молекулы ДНК получил американский биохимик Э. Чаргафф. Оказалось, что как бы ни отличались молекулы ДНК по составу оснований, количество аденина всегда равно количеству тимина, количество цитозина соответствует количеству гуанина, а сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина. Иными словами, суммы пуриновых и пиримидиновых оснований одинаковы.

В 1953 г. двое ученых – американец Д. Уотсон и англичанин Э. Крик – постулировали существование двойной спирали ДНК. Они проанализировали биохимические данные Чаргаффа и результаты рентгено-структурного анализа английских биофизиков М. Уилкиса и Р. Франклин.

Был сделан вывод, что две нити молекулы ДНК могут приблизиться друг к другу на расстояние, позволяющее возникнуть водородным связям, только в том случае, если против аденина будет расположен тимин, а против гуанина – цитозин. Пуриновые основания одной цепи всегда соответствуют пиримидиновым основаниям другой.

Обе нити ДНК взаимно дополняют друг друга, т. е. они комплементарны.

Уотсон и Крик установили, что пары оснований равномерно расположены вдоль оси молекулы ДНК на расстоянии 3,4 А. Один виток спирали включает десять пар оснований и имеет длину по оси 34А.

Две спиральные цепи (ДНК) обвиты вокруг одной общей оси и соединены между собой водородными связями.

Впоследствии удалось получить при огромном увеличении электронно-микроскопический снимок молекулы ДНК, на котором были хорошо видны обе спирали.

Генетический смысл заложен в самой модели ДНК Уотсона и Крика. Вполне обоснованно было высказанное предположение, что при раскручивании и расплетании двойной спирали ДНК на обеих нитях возможен синтез новых комплементарных нитей, в результате чего получились бы две копии ДНК, абсолютно идентичные родительской молекуле.

Предсказания Уотсона и Крика о принципах удвоения молекулы ДНК (репликации) были подтверждены экспериментально. Разделение двойной спирали происходит вследствие разрыва водородных связей в каждой комплементарной паре оснований.

Цепь родительской ДНК расходится, и на каждой нити основания присоединяют к себе имеющиеся в клетке свободные нуклеотиды.   Образуются   комплементарные цепи дочерней ДНК. Такой тип репликации ДНК был назван полуконсервативным.

Известны расплетающие белки, «затравочная» ДНК, различные типы ДНК-полимераз, ДНК-легаз. Точность репликации очень высока.

Частота возможного ошибочного включения только одного нуклеотида на каждый новосинтезированный фрагмент ДНК составляет 10-6 – 10-9 нуклеотидов.

И все же до недавнего времени не были решены два вопроса, которые принесли много затруднений ученым. Поскольку нити ДНК антипараллельны, то одна несет свободный 3'-атом углерода сахара, а другая нить – 5'-атом. Американский биохимик А.

Противоречия разрешил японский ученый Р. Оказаки. Он показал, что синтез новых нитей шел короткими отрезками («фрагментами Оказаки»), но в разных друг относительно друга направлениях.

Синтезируя копии освободившихся концов, ДНК расплетается и становится доступной для ДНК-полимеразы. Вновь синтезированные «фрагменты Оказаки» склеиваются ДНК-лигазой.

Другая трудность была связана с тем, что в процессе удвоения молекуле ДНК необходимо расплетаться в клетке за короткий промежуток времени.

Ученые подсчитали, что при длине бактериальной ДНК в несколько миллиметров и времени репликации 15 мин для расплетания скорость вращения концов ДНК должна составлять 15 тыс. оборотов в минуту. Конечно, это маловероятно.

В дальнейшем было установлено, что перед репликацией ДНК происходит целый ряд однонитчатых разрывов и репликация отдельных ее фрагментов, которые соединяются ферментом лигазой.

Расплетенный участок ДНК называют репликативной вилкой, образование ее связано с раскручиванием спирали и разделением цепи. Репликативная вилка продвигается вдоль молекулы ДНК по мере стабилизации расплетенной структуры, появления затравочного полинуклеотида, ДНК-полимеразы и синтеза новых оснований.

Источник: http://populargenetic.ru/veshhestvo-nasledstvennosti/stroenie-molekuly-dnk/