Жизнь молекул днк

Распаковка ДНК перед репликацией

Геликазы проникают вдоль ДНК и с помощью энергии от аденозинтрифосфата (ATP) разделяют две спиральные цепочки, развивая геликальные петли. Это создает временные открытые участки, называемые репликационными вилками или форками.

Распаковка ДНК перед репликацией необходима для доступа ферментов, которые копируют информацию из одной ДНК-молекулы в другую. Одна реплицирующая вилка движется вперед, разделяя и распаковывая ДНК, а за ней следует другая вилка, которая связывает комплементарные нуклеотиды с открытыми цепочками, образуя новые двухцепочечные молекулы ДНК.

Работа геликаз

Геликазы являются ключевыми ферментами, участвующими в распаковке ДНК перед репликацией. Они способны разрушать водородные связи между нуклеотидами, что позволяет развивать спиральную структуру ДНК.

Работа геликаз начинается с раскручивания двухцепочечной молекулы ДНК, создавая одиночные цепочки. Затем геликаз перемещается вдоль разделившихся цепей, разделяя их более полностью и распаковывая ДНК.

Геликазы обладают высокой специфичностью к различным участкам ДНК. Они определяют, где начинать распаковку и двигаться вперед по каждой цепи, разделяя их на прокариотических и эукариотических организмах.

Важность распаковки ДНК перед репликацией

Распаковка ДНК перед репликацией является важным шагом в процессе передачи генетической информации от одной клетки к другой. Она позволяет ферментам реплицировать ДНК-молекулы и обеспечивает сохранение и передачу генетической информации наследственности.

Без распаковки ДНК репликация не может произойти, и клетки не смогут делиться и размножаться. Поэтому распаковка является неотъемлемым этапом в жизненном цикле каждой клетки.

Тип организма	Характеристики геликаз
Прокариоты	Простые геликазы, работающие независимо друг от друга
Эукариоты	Сложные геликазы, взаимодействующие с другими ферментами и белками для более эффективной распаковки ДНК

викторина

1. Какой тип конденсации?A. Водяной пар становится жидкой водойB. Объединение молекул глюкозы в дисахарид C. Упаковка ДНК в маленькое пространствоD. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 1

D верно. Все это примеры конденсации. Выбор А относится к конденсации в круговороте воды. При выборе B молекула воды образуется, когда две молекулы глюкозы соединяются. Выбор C – это конденсация ДНК.

2. Какое изменение фазы претерпевает вода во время конденсации в круговороте воды?A. Жидкость в газB. Газ в жидкостьC. Жидкость в твердое веществоD. Твердый газ

Ответ на вопрос № 2

В верно. Во время конденсации водяной пар становится жидкой водой. Выбор B относится к испарению, C относится к замораживанию и D относится к сублимации.

3. Что оборачивается ДНК во время конденсации в эукариотических клетках?A. Гистоновые белкиB. ДНК-связывающие белкиC. хроматинD. Нуклеосомы

Ответ на вопрос № 3

верно. В эукариотических клетках ДНК плотно обернута вокруг гистоновых белков. Вместе ДНК и гистоновые белки называются хроматином. ДНК-связывающие белки используются для конденсации бактериальной ДНК.

Спирализация молекулы. Явление комплементарности

Величина молекулы ДНК человека чудовищно огромна (в масштабах других молекул, конечно)! В геноме одной-единственной клетки (46 хромосом) содержится примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов. Длина цепочки ДНК, составленной таким количеством звеньев, равняется примерно двум метрам. Трудно представить, каким образом настолько громоздкую молекулу можно разместить в пределах крохотной клетки.

Но природа позаботилась о более компактной упаковке и защите своего генома — две цепочки соединяются между собой азотистыми основаниями и образуют хорошо известную двойную спираль. Таким образом, удается сократить длину молекулы почти в шесть раз.

Порядок взаимодействия азотистых оснований строго определен явлением комплементарности. Аденин может соединяться исключительно с тимином, а цитозин взаимодействует только с гуанином. Эти комплементарные пары подходят друг другу как ключ и замок, как кусочки пазла.

Теперь давайте посчитаем, сколько же памяти в компьютере (ну или на флешке) должна занимать вся информация об этой маленькой (в масштабе нашего с вами мира) молекуле. Количество пар нуклеотидов — 3,1х109. Всего значений 4, что означает — для одной пары достаточно 2-х бит информации (22 значений). Умножаем все это друг на друга и получаем 6200000000 бит, или 775000000 байт, или 775000 килобайт, или 775 мегабайт. Что примерно соответствует емкости CD диска или объему какой-нибудь 40-минутной серии фильма в среднем качестве.

Роль в регуляции генов

В настоящее время описания регуляции генов основаны на приближении равновесного связывания в разбавленных растворах , хотя ясно, что эти предположения на самом деле нарушаются в хроматине . Приближение разбавленного раствора нарушается по двум причинам. Во-первых, содержание хроматина далеко не разбавленное, а во-вторых, количество участвующих молекул иногда настолько мало, что нет смысла говорить об объемных концентрациях. Дальнейшие отличия от разбавленных растворов возникают из-за разной аффинности связывания белков с конденсированной и неконденсированной ДНК. Таким образом, в конденсированной ДНК могут быть изменены как скорости реакции, так и их зависимость от концентраций реагентов может стать нелинейной.

Функции нуклеотидов

Местонахождение в клетках аминокислот, белка и нуклеотидов поддерживает их жизнедеятельность, а также сохранение, передачу и верную реализацию генетической наследственности. Стоит в отдельности рассмотреть функции ДНК, РНК и их разновидностей в жизни живых организмов.

Значение ДНК

В клетках ДНК вся информация в основном сосредоточена в ядре клетки. Бактериальная среда, как правило, в формуле занимает одну кольцевую молекулу, находится в неправильной формы образовании в цитоплазме, именуемым нуклеотидом. Гены, входящие в состав наследственной информации генома, являются единицей передачи генетической наследственности. Признак частицы — открытая рама считывания.

Самая важная биологическая функция вида — генетическая, клетка является носителем генетической информации (благодаря этой особенности, каждый вид на планете обладает своими индивидуальными особенностями).
Наследственную информацию ДНК способно передавать в ряду целых поколений не без дополнительного участия и РНК.
Осуществляет процессы регуляции биосинтеза белка.

Свойства РНК

В природе различают три разновидности РНК, каждая из которых предназначена для выполнения особой роли в осуществлении синтеза белка.

Транспортная предназначена для транспортировки активированных аминокислот по организму к рибосомам. Это необходимо для осуществления синтеза полипептидных молекул. Исследования показали, что одна транспортная молекула способна связаться лишь с одной из 20 аминокислот. Они служат в качестве транспортировщиков специфических аминокислот и углеводов. Длина транспортной цепи значительно короче матричной, в состав входит приблизительно 80 нуклеотидов, визуально имеет вид клеверного листа.
Матричная занимается копированием наследственного кода из ядра в цитоплазму. За счет этого процесса осуществляется синтез разнообразных белков. Схема строения представляет собой одноцепочную молекулу, она является неотъемлемой составляющей цитоплазмы. В составе молекулы содержится до нескольких тысяч нуклеотидов, они занимаются транспортировкой наследственной информации через мембрану ядра к очагу синтеза на рибосоме. Копирование информации осуществляется посредством транскрипции.
Рибосомная задействует около 73 белков для формирования рибосом. Они собой представляют клеточные органеллы, на которых осуществляется сбор полипептидных молекул. Основные задачи рибосомной молекулы — это формирование центра рибосомы (активного); неотъемлемый структурный элемент рибосом, обеспечивающий их правильное функционирование; первоначальное взаимодействие рибосомы с кодоном-инициатором для выявления рамки считывания; обеспечение взаимодействия рибосомных молекул с транспортными.

Влияние окружающей среды на конденсацию хромосом

Конденсация хромосом является важным этапом клеточного деления и интенсивно исследуется научным сообществом. Однако сложность процесса и точные механизмы его регуляции до конца не изучены. Некоторые исследования позволяют сделать выводы о том, что окружающая среда может оказывать влияние на конденсацию хромосом.

Например, известно, что изменение температуры может влиять на скорость конденсации хромосом. Понижение температуры может замедлять процесс, а повышение – ускорять его. Однако конкретная температура, при которой это происходит неизвестна.

Другие исследования показывают, что факторы окружающей среды могут влиять на конформацию хромосом до начала клеточного деления. Например, экспозиция ксенобиотиков, таких как тяжелые металлы, может привести к изменению структуры хроматина и связанным с этим изменениям в процессе конденсации хромосом. Это может привести к ошибкам в работе генетического материала, что далеко не всегда хорошо для клеток и организмов в целом.

Таким образом, существует достаточно доказательств того, что окружающая среда может оказывать влияние на конденсацию хромосом. С учетом этого можно предположить, что влияние окружающей среды должно быть учтено в ходе медицинских процедур и воздействий на организмы, чтобы минимизировать возможные риски для генетического материала и здоровья в целом.

Другие

— Капли дождя — это форма конденсации воды, которая происходит в облаках, а затем падает и орошает землю.

— Когда линзы очков мутнеют при открытии кастрюли с кипящей водой.

— Капли воды, стекающие по внешней стороне стакана ледяной газировки в жаркий день. Это явление возникает, когда молекулы водяного пара в воздухе встречаются с поверхностью стекла и конденсируются на ней.

— Когда мы видим пар в воздухе, мы дышим в очень холодный день.

— Роса, которая образуется на листьях растений в утренние часы из-за наличия горячего пара в траве, который остывает на поверхности листьев.

— Когда зеркало в ванной запотевает после душа, благодаря действию водяного пара в том же конденсате на поверхности стекла.

— Если кипятить воду в закрытом контейнере, видно, как пар, достигающий крышки контейнера, превращается в капли благодаря процессу конденсации.

— Изморозь на внешней стороне ведра со льдом означает, что испарившаяся вода конденсируется на внешней поверхности ведра, оставляя пленку льда.

— Запотевание стекол автомобиля из-за разницы температур внутри и снаружи.

— В процессе перегонки спирта он переходит из газообразного в жидкое состояние благодаря использованию холодной воды по трубке, через которую проходят пары спирта.

— Вода, выбрасываемая кондиционерами, представляет собой водяной пар, который собирают эти устройства, он конденсируется внутри и позже должен быть выпущен.

— Конденсация паров некоторых химических веществ, чтобы не потерять их.

— Когда мы потеем в маске или маске для дайвинга, пары пота, испускаемые нашим телом, конденсируются внутри маски, в результате чего она затуманивается.

— Газы, используемые внутри зажигалок, конденсируются, чтобы их можно было использовать позже, поскольку они очень летучие и быстро растворятся в атмосфере, если бы находились в газообразном состоянии.

— Жидкий азот — это конденсированная форма легколетучего газа, обычно используемого в криогенной промышленности.

— СНГ или сжиженный нефтяной газ — это легколетучие газообразные вещества, которые хранятся в жидкой форме внутри пипеток.

— Образование пленки на окнах дома в холодный день.

— Конденсация газов для охлаждения элементов в холодильной промышленности.

— Капли воды, которые конденсируются на кухонной плитке, когда мы открываем кастрюлю с кипящей водой внутри.

— Влажность окружающей среды, которая конденсируется на коже человека.

— Пропан, сконденсированный в пипетках, для последующего использования на кухне.

— Внутри турка полно пара и конденсата на стенах.

— Использование конденсаторов в пищевой промышленности для изменения состояния веществ, например молока.

— Когда вы достаете бутылку из холодильника, снаружи образуется пленка из конденсированного водяного пара.

— Круговорот воды, когда очевидно, как она переходит из жидкого в газообразное состояние, снова конденсируется в облаках и снова орошает землю дождем.

— Огнетушитель — это результат конденсации углекислого газа под высоким давлением, поэтому его можно хранить внутри металлического контейнера.

Регуляция генной экспрессии

Регуляция генной экспрессии является одним из основных механизмов, которые позволяют организму управлять своим развитием, функционированием и адаптацией к изменяющимся условиям окружающей среды. Генная экспрессия определяет, какие гены активны в данной клетке и в каком количестве они производят молекулы РНК и белки.

Регуляция генной экспрессии может происходить на различных уровнях: пространственном, временном и количественном. На пространственном уровне гены могут быть активны или неактивны в разных клетках или тканях организма. На временном уровне гены могут быть активны только в определенные периоды развития организма или в ответ на определенные сигналы. На количественном уровне регулируется количество производимых молекул РНК и белка.

Одним из основных механизмов регуляции генной экспрессии является свертывание (конденсация) хроматина. Хроматин — это комплекс ДНК и белков, который образует хромосомы в ядре клетки. Свертывание хроматина происходит в результате взаимодействия ДНК с белками, называемыми гистонами. Конденсация хроматина может привести к подавлению активности генов, так как плотно упакованная ДНК становится недоступной для транскрипции и трансляции. Этот процесс называется эухроматин-гетерохроматиновой регуляцией.

Важно отметить, что регуляция генной экспрессии включает не только свертывание хроматина, но и другие механизмы. Например, при регуляции генной экспрессии могут быть вовлечены специфические факторы транскрипции, модификации хроматина (метилирование, ацетилирование, убиквитинирование и др.), механизмы сплайсинга РНК, а также многочисленные сигнальные пути и сети регуляторных белков

Регуляция генной экспрессии играет ключевую роль в различных процессах, таких как развитие эмбриона, дифференцировка клеток, адаптация к изменению условий среды, регенерация тканей и защита организма от возникновения заболеваний. Понимание механизмов регуляции генной экспрессии является фундаментальной задачей современной биологии и медицины, и его исследование может привести к разработке новых методов диагностики и лечения различных заболеваний, включая рак, сердечно-сосудистые и неврологические заболевания.

В жизни

В вирусах

У вирусов и бактериофагов ДНК или РНК окружены белковым капсидом , иногда дополнительно покрытым липидной мембраной . Двухцепочечная ДНК хранится внутри капсида в виде катушки, которая может иметь разные типы спиралей, что приводит к различным типам жидкокристаллической упаковки. Эта упаковка может меняться с гексагональной на холестерическую или изотропную на разных стадиях функционирования фага. Хотя двойные спирали всегда локально выровнены, ДНК внутри вирусов не представляет собой настоящих жидких кристаллов , потому что ей не хватает текучести. С другой стороны, ДНК, конденсированная in vitro , например, с помощью полиаминов, также присутствующих в вирусах, является как локально упорядоченной, так и жидкой.

В бактериях

Основные единицы геномной организации бактерий и эукариот.

Бактериальная ДНК упакована с помощью полиаминов и белков, называемых . Связанная с белком ДНК занимает около 1/4 внутриклеточного объема, образуя концентрированную вязкую фазу с жидкокристаллическими свойствами, называемую нуклеоидом. Подобная упаковка ДНК существует также в хлоропластах и митохондриях . Бактериальную ДНК иногда называют бактериальной хромосомой . Эволюционный бактериальный нуклеоид представляет собой промежуточное инженерное решение между упаковкой ДНК, не содержащей белков, у вирусов и упаковкой, определяемой белками, у эукариот.

Сестринские хромосомы у бактерии Escherichia coli индуцируются стрессовыми условиями, чтобы конденсироваться и подвергаться спариванию. Конденсация, вызванная стрессом, происходит за счет неслучайного сближения сестринских хромосом, похожего на застежку-молнию. Эта конвергенция, по-видимому, зависит от способности идентичных двухцепочечных молекул ДНК специфически идентифицировать друг друга, процесс, который завершается близостью гомологичных сайтов вдоль парных хромосом. Различные стрессовые условия, по-видимому, заставляют бактерии эффективно справляться с серьезными повреждениями ДНК, такими как двухцепочечные разрывы. Сопоставление гомологичных сайтов, связанных со стресс-индуцированной конденсацией хромосом, помогает объяснить, как происходит восстановление двухцепочечных разрывов и других повреждений.

У эукариот

Различные уровни конденсации ДНК у эукариот. (1) Одиночная цепь ДНК. (2) Нить хроматина (ДНК с гистонами). (3) Хроматин в интерфазе с центромерой . (4) Две копии конденсированного хроматина вместе во время профазы . (5) Хромосома в метафазе .

Эукариотическая ДНК с типичной длиной в несколько десятков сантиметров должна быть упорядочена, чтобы быть легко доступной внутри ядра микрометрового размера. У большинства эукариот ДНК располагается в ядре клетки с помощью гистонов. В этом случае основным уровнем уплотнения ДНК является нуклеосома, где двойная спираль оборачивается вокруг октамера гистонов, содержащего по две копии каждого гистона H2A , H2B , H3 и H4 . Линкерный гистон H1 связывает ДНК между нуклеосомами и облегчает упаковку нуклеосомной цепи «бусинок на нити» размером 10 нм в более плотное 30-нм волокно. Большую часть времени между делениями клеток хроматин оптимизируется, чтобы обеспечить легкий доступ факторов транскрипции к активным генам , которые характеризуются менее компактной структурой, называемой эухроматином , и облегчить доступ к белкам в более плотно упакованных областях, называемых гетерохроматином . Во время деления клетки уплотнение хроматина еще больше усиливается с образованием хромосом , которые могут справляться с большими механическими силами, втягивая их в каждую из двух дочерних клеток. Многие аспекты транскрипции контролируются химической модификацией гистоновых белков, известной как гистоновый код .

Хромосомный каркас играет важную роль в удерживании хроматина в компактной хромосоме. Хромосомный каркас состоит из белков, включая конденсин , топоизомеразу IIα и член 4 семейства кинезинов (KIF4).

Динофлагелляты — очень разные эукариоты с точки зрения того, как они упаковывают свою ДНК. Их хромосомы упакованы в жидкокристаллическом состоянии. Они потеряли многие консервативные гистоновые гены, вместо этого для упаковки использовали в основном вирусные нуклеопротеины динофлагеллат (DVNP) или бактериальные гистоноподобные белки динофлагеллят (HLP). Неизвестно, как они контролируют доступ к генам; те, которые сохраняют гистон, имеют особый гистоновый код .

В архее

В зависимости от организма археи могут использовать для упаковки бактериоподобную систему HU или систему нуклеосом, подобную эукариотам.

In vitro

Конденсация ДНК может быть индуцирована in vitro либо путем приложения внешней силы для сближения двойных спиралей, либо путем индукции притягивающих взаимодействий между сегментами ДНК. Первое может быть достигнуто, например, с помощью осмотического давления, оказываемого вытеснением нейтральных полимеров в присутствии одновалентных солей. В этом случае силы, толкающие двойные спирали вместе, возникают из-за энтропийных случайных столкновений с плотными полимерами, окружающими конденсаты ДНК, и для нейтрализации зарядов ДНК и уменьшения отталкивания ДНК-ДНК требуется соль. Вторая возможность может быть реализована путем индуцирования притягивающих взаимодействий между сегментами ДНК посредством многовалентных катионных заряженных лигандов (многовалентных ионов металлов, неорганических катионов, полиаминов, протамины, пептиды, липиды, липосомы и белки ).

Современные и будущие исследования конденсации хромосом

Современные исследования конденсации хромосом показывают, что этот процесс тесно связан с рядом других биологических процессов в клетке, включая метилирование ДНК, модификацию гистонов и функции центромеры. Изучение этих процессов позволяет лучше понимать как хромосомы упаковываются в ядре и как их структура влияет на различные биологические процессы в клетке.

Будущие исследования посвящены установлению более точных механизмов конденсации хромосом, которые позволят не только лучше понимать этот процесс, но и применять его на практике. Например, возможно разработать новые методы искусственного укрупнения хромосом для удобства проведения мутагенеза, генной терапии и диагностики генетических заболеваний.

Одной из перспективных областей исследования является изучение роли некодирующей РНК в процессе конденсации хромосом;
Также планируется изучение динамических изменений хромосомных структур в разных типах клеток на протяжении различных стадий клеточного цикла;
Важным направлением исследований может стать изучение механизмов возникновения изменений в структуре хромосом при различных патологиях, таких как рак, синдром Дауна, и другие.

В целом, изучение процесса конденсации хромосом представляет собой важную задачу в биологии, позволяющую лучше понять организацию и функционирование клеток, а также открывающую потенциал для новых технологий в медицине и генной инженерии.

Роль в клетке

Основная роль ДНК в клетках – передача наследственных генов и выживание будущего поколения. От нее зависят не только внешние данные будущей особи, но и ее характер и здоровье. Дезоксирибонуклеиновая кислота находится в суперскрученном состоянии, но для качественного процесса жизнедеятельности она должна быть раскрученной. С этим ей помогают ферменты — топоизомеразы и хеликазы.

Топоизомеразы относятся к нуклеазам, они способны изменять степень скрученности. Еще одна их функция – участие в транскрипции и репликации (делении клеток). Хеликазы разрывают водородные связи между основаниями. Существуют ферменты лигазы, которые нарушенные связи «сшивают», и полимеразы, которые участвуют в синтезе новых цепей полинуклеотидов.

Мейоз

Мейоз – это процесс деления клетки, при котором число хромосом уменьшается вдвое, происходит образование гаплоидных клеток.

Данный процесс проходит в двух последовательных деления, первое из которых принято называть редукционным (мейоз I), а второе эквационным (мейоз II). Эквационное деление также можно назвать уравнительным, оно позволяет сохранить гаплоидный набор хромосом. Второе деление по механизму протекания схоже с митозом, однако здесь к полюсам расходятся сестринские хроматиды.

Так же, как и митоз, мейоз начинается после интерфазы. Количество ДНК перед первым делением составляет 2n4c, где n – хромосомы, с – молекулы ДНК. Это обозначает, что каждая хромосома состоит из двух хроматид и имеет гомологичную пару. После первого деления, перед вторым, количество ДНК в каждой дочерней клетке уменьшается до 1n2c. Результатом мейоза после второго деления является образование четырёх гаплоидных клеток. Мейоз представлен такими же четырьмя фазами, как и митоз, однако протекающие процессы в двух этих делениях существенно отличаются.

Мейоз I

Профаза I. 2n4c. Это самая длительная и сложная фаза мейоза. Здесь гомологичные хромосомы сближаются, образуя так называемые биваленты, между ними происходит обмен участками ДНК. Связь бивалента сохраняется до анафазы I. Сближение хромосом называют конъюгацией, обмен участками наследственной информации – кроссинговером. Гомологичные хромосомы соединены между собой. Ядерная оболочка растворяется. Начинает своё формирование мейотическое веретено деления. Центриоли расходятся к полюсам клетки.
Метафаза I. 2n4c. На этом этапе веретено деления окончательно сформировано. Биваленты расположены в области экватора, при этом они выстроены друг напротив друга по экватору так, что экваториальная плоскость оказывается между парами гомологичных хромосом.
Анафаза I. 2n4c. Биваленты разъединяются и хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки. Вследствие кроссинговера, прошедшего в профазе, хроматиды этих хромосом не идентичны друг другу.
Телофаза I. n2c×2. Хромосомы деспирализуются в хроматин. Происходит формирование ядерной оболочки, клетки делится на две части. У растений образуется клеточная стенка, у животных же происходит впячивание мембраны.

Рис. 2 Мейоз I

Мейоз II

Перед эквационным делением интерфаза называется интеркинезом, так как удвоения наследственного материала (ДНК) не происходит.

Профаза II. 1n2c×2. Короткая по продолжительности фаза. На этом этапе разрушается ядерная оболочка, снова исчезают ядра и ядрышки, происходит конденсация хромосом, формируется веретено деления.
Метафаза II. 1n2c×2. К каждой из двухроматидных хромосом прикрепляются нити веретена деления с разных полюсов. В плоскости перпендикулярной экватору метафазы первого деления образуется метафазная пластинка.
Анафаза II. 2n2c×2. Центромеры делятся. Однохроматидные хромосомы расходятся к разным полюсам. Теперь сестринские хроматиды являются сестринскими хромосомами.
Телофаза II. 1n1c×4. В эту фазу происходит деспирализация хромосом, исчезает веретено деления, формируется ядерная оболочка, образуются ядра и ядрышки. Далее следует цитокинез, вследствие которого формируется 4 гаплоидные клетки с одинарным набором хромосом (1n1c).

Рис. 3 Мейоз II

_{Источники изображений:}

Рис 2, рис. 3 — ЯКласс

Смотри также:

Клетка – генетическая единица живого. Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции. Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки
Развитие половых клеток у растений и животных. Деление клетки – основа роста, развития и размножения организмов. Роль мейоза и митоза
Современная клеточная теория, ее основные положения