Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года
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 как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.
Дезоксирибонуклеи́новая 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.
С химической точки зрения 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 (С ) и фосфатной (Ф ) группы (фосфодиэфирные связи).
Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы
В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т ), гуанин — только с цитозином (Г-Ц ). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой "лестницы" ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).
Рис. 2. Азотистые основания
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Рис. 3. Репликация ДНК
Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.
Образование новой ДНК (репликация)
По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.
Более подробная информация:
Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты - это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.
НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания , соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) - дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H 2 PO 3 -).
Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания - урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания - аденин и гуанин.
Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые
Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:
Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК
Две цепи ДНК образуют двойную спираль . Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей . Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин - с гуанином. Это называется правилом комплементарности .
Правило комплементарности:
| A-T G-C |
Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность
3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,
то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении - от 5’-конца к 3’-концу:
5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’.
Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей
Репликация ДНК - это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).
Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.
Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК
ДНК-синтез - это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:
1) ДНК-топоизомераза, располагаясь перед вилкой репликации, разрезает ДНК для того, чтобы облегчить ее расплетание и раскручивание.
2) ДНК-хеликаза вслед за топоизомеразой влияет на процесс «расплетения» спирали ДНК.
3) ДНК-связывающие белки осуществляют связывание нитей ДНК, а также проводят их стабилизацию, не допуская их прилипания друг к другу.
4) ДНК-полимераза δ
(дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет синтез
ведущей
цепи
дочерней ДНК в направлении 5"→3" на матрице
материнскойнити ДНК по направлению от ее 3"-конца к 5"-концу (скорость до 100 пар нуклеотидов в секунду). Этим события на данной материнской
нити ДНК ограничиваются.
Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α (Polα ), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ (Polδ ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.
Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)
Нагляднее о репликации ДНК см.
5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5"→3" синтезирует праймер (РНК-затравку) - последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК.
Вместо
ДНК-полимеразы
α
к 3"-концу праймера присоединяется
ДНК-полимераза
ε
.
6)
ДНК-полимераза
ε
(эпсилон)
как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве субстрата встраивает
дезоксирибонуклеотиды
(в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате образуется цельная нить из двух частей -
РНК
(т.е. праймер) и
ДНК
.
ДНК-полимераза
ε
работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего
фрагмента Оказаки
(синтезированный чуть ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.
7) ДНК-полимераза β (бета) встает вместо ДНК-полимеразы ε , движется в том же направлении (5"→3") и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный ДНК-полимеразой ε ). Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии, поэтому он сходит с цепи.
В результате на матрице материнской нити "лежит" фрагмент дочерней ДНК. Он называется
фрагмент Оказаки
.
8) ДНК-лигаза производит сшивку двух соседних фрагментов Оказаки , т.е. 5"-конца отрезка, синтезированного ДНК-полимеразой ε , и 3"-конца цепи, встроенного ДНК-полимеразой β .
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом . Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т ) в РНК представлен урацил (U ) , который также комплементарен аденину.
Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией , то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами - РНК-полимеразами .
Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Рис. 10. Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.
Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК - эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ - 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.
Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции
Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи
3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,
то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность
5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,
а синтезируемая с нее РНК - последовательность
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рассмотрим механизм синтеза белка
на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:
Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок
Генетический код - способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - кодоном или триплетом.
Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5" к 3" концу мРНК.
Таблица 1. Стандартный генетический код
|
1-е
ние |
2-е основание |
3-е
ние |
|||||||
|
U |
C |
A |
G |
||||||
|
U |
U U U |
(Phe/F) |
U C U |
(Ser/S) |
U A U |
(Tyr/Y) |
U G U |
(Cys/C) |
U |
|
U U C |
U C C |
U A C |
U G C |
C |
|||||
|
U U A |
(Leu/L) |
U C A |
U A A |
Стоп-кодон** |
U G A |
Стоп-кодон** |
A |
||
|
U U G |
U C G |
U A G |
Стоп-кодон** |
U G G |
(Trp/W) |
G |
|||
|
C |
C U U |
C C U |
(Pro/P) |
C A U |
(His/H) |
C G U |
(Arg/R) |
U |
|
|
C U C |
C C C |
C A C |
C G C |
C |
|||||
|
C U A |
C C A |
C A A |
(Gln/Q) |
C GA |
A |
||||
|
C U G |
C C G |
C A G |
C G G |
G |
|||||
|
A |
A U U |
(Ile/I) |
A C U |
(Thr/T) |
A A U |
(Asn/N) |
A G U |
(Ser/S) |
U |
|
A U C |
A C C |
A A C |
A G C |
C |
|||||
|
A U A |
A C A |
A A A |
(Lys/K) |
A G A |
A |
||||
|
A U G |
(Met/M) |
A C G |
A A G |
A G G |
G |
||||
|
G |
G U U |
(Val/V) |
G C U |
(Ala/A) |
G A U |
(Asp/D) |
G G U |
(Gly/G) |
U |
|
G U C |
G C C |
G A C |
G G C |
C |
|||||
|
G U A |
G C A |
G A A |
(Glu/E) |
G G A |
A |
||||
|
G U G |
G C G |
G A G |
G G G |
G |
|||||
Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:
Свойства генетического кода
1. Триплетность . Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов - триплетом или кодоном.
2. Непрерывность . Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.
3. Неперекрываемость . Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.
4. Однозначность . Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.
5. Вырожденность . Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.
6. Универсальность . Генетический код одинаков для всех живых организмов.
Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:
3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA - 5’.
Матричная цепь будет иметь последовательность:
5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT - 3’.
Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:
3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA - 5’.
Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:
5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.
Теперь найдем старт-кодон AUG:
5’- AUAUG CUAGCUGCACGUUAGCC - 3’.
Разделим последовательность на триплеты:
звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК - на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.
Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии
ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ
(общие понятия)
Геном - совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.
Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими ("избыточными") последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.
Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК
За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.
В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации ), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент» . Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид» , поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.
На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид - аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами ).
Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.
Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.
Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена , кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350 аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов ). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.
Сколько генов в одной хромосоме?
Рис. 15. Вид хромосом в прокаритической (слева) и эукариотической клеках. Гистоны (Histones) — обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация.
Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру - нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli , чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.
Прокариоты (Бактерии).
Бактерия E. coli
имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli
приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами
(рис. 16).
Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.
См. также: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972-984.
Эукариоты.
Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов
|
Общая ДНК, п.н. |
Число хромосом* |
Примерное число генов |
|
|
Escherichia coli (бактерия) |
4 639 675 |
4 435 |
|
|
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи) |
12 080 000 |
16** |
5 860 |
|
Caenorhabditis elegans (нематода) |
90 269 800 |
12*** |
23 000 |
|
Arabidopsis thaliana (растение) |
119 186 200 |
33 000 |
|
|
Drosophila melanogaster (плодовая мушка) |
120 367 260 |
20 000 |
|
|
Oryza sativa (рис) |
480 000 000 |
57 000 |
|
|
Mus musculus (мышь) |
2 634 266 500 |
27 000 |
|
|
Homo sapiens (человек) |
3 070 128 600 |
29 000 |
Примечание. Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам
* Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный
набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) - двойной набор хромосом (2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.
**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.
***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.
В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli (табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila , классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli. Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n ) зависит от вида организма (табл. 2).
Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17 ). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а , содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y) различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.
Рис. 17. Хромосомы эукариот. а — пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б — полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.
Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).
Большинство клеток человека , поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10 14 клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10 11 км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10 4 км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10 8 км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!
В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.
Рассмотрим строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.
Кодирующая последовательность - основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.
До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности . Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.
Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции - транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.
Терминатор - нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.
В начале гена находится регуляторная область , включающая в себя промотор и оператор .
Промотор - последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор - это область, с которой могут связываться специальные белки - репрессоры , которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена - иначе говоря, уменьшать его экспрессию .
Строение генов у прокариот
Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается - и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.
Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) - изображение увеличивается
В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков с интезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.
Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу - оперон . Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона - регуляторы . Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор . Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.
Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции .
Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот - изображение увеличивается
Такое сопряжение не встречается у эукариот из-за наличия у них ядерной оболочки, отделяющей цитоплазму, где происходит трансляция, от генетического материала, на котором происходит транскрипция. У прокариот во время синтеза РНК на матрице ДНК с синтезируемой молекулой РНК может сразу связываться рибосома. Таким образом, трансляция начинается еще до завершения транскрипции. Более того, с одной молекулой РНК может одновременно связываться несколько рибосом, синтезируя сразу несколько молекул одного белка.
Строение генов у эукариот
Гены и хромосомы эукариот очень сложно организованы
У бактерий многих видов всего одна хромосома, и почти во всех случаях в каждой хромосоме присутствует по одной копии каждого гена. Лишь немногие гены, например гены рРНК, содержатся в нескольких копиях. Гены и регуляторные последовательности составляют практически весь геном прокариот. Более того, почти каждый ген строго соответствует аминокислотной последовательности (или последовательности РНК), которую он кодирует (рис. 14).
Структурная и функциональная организация генов эукариот гораздо сложнее. Исследование хромосом эукариот, а позднее секвенирование полных последовательностей геномов эукариот принесло много сюрпризов. Многие, если не большинство, генов эукариот обладают интересной особенностью: их нуклеотидные последовательности содержат один или несколько участков ДНК, в которых не кодируется аминокислотная последовательность полипептидного продукта. Такие нетранслируемые вставки нарушают прямое соответствие между нуклеотидной последовательностью гена и аминокислотной последовательностью кодируемого полипептида. Эти нетранслируемые сегменты в составе генов называют интронами , или встроенными последовательностями , а кодирующие сегменты — экзонами . У прокариот лишь немногие гены содержат интроны.
Итак, у эукариот практически не встречается объединение генов в опероны, и кодирующая последовательность гена эукариот чаще всего разделена на транслируемые участки - экзоны , и нетранслируемые участки - интроны.
В большинстве случаев функция интронов не установлена. В целом, лишь около 1,5% ДНК человека являются ≪кодирующими≫, т. е. несут информацию о белках или РНК. Однако с учетом крупных интронов получается, что ДНК человека на 30% состоит из генов. Поскольку гены составляют относительно небольшую долю в геноме человека, значительная часть ДНК остается неучтенной.
Рис. 16. Схема строение гена у эукариот - изображение увеличивается
С каждого гена сначала синтезируется незрелая, или пре-РНК, которая содержит в себе как интроны, так и экзоны.
После этого проходит процесс сплайсинга, в результате которого интронные участки вырезаются, и образуется зрелая иРНК, с которой может быть синтезирован белок.
Рис. 20. Процесс альтернативного сплайсинга - изображение увеличивается
Такая организация генов позволяет, например, осуществить , когда с одного гена могут быть синтезированы разные формы белка, за счет того, что в процессе сплайсинга экзоны могут сшиваться в разных последовательностях.
Рис. 21. Отличия в строении генов прокариот и эукариот - изображение увеличивается
МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗ
Мутацией называется стойкое изменение генотипа, то есть изменение нуклеотидной последовательности.
Процесс, который приводит к возникновению мутаций называется мутагенезом , а организм, все клетки которого несут одну и ту же мутацию — мутантом .
Мутационная теория была впервые сформулирована Гуго де Фризом в 1903 году. Современный ее вариант включает в себя следующие положения:
1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.
2. Мутации передаются из поколения в поколение.
3. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными, доминантными или рецессивными.
4. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.
5. Сходные мутации могут возникать повторно.
6. Мутации не направленны.
Мутации могут возникать под действием различных факторов. Различают мутации, возникшие под действием мутагенных воздействий : физических (например, ультрафиолета или радиации), химических (например, колхицина или активных форм кислорода) и биологических (например, вирусов). Также мутации могут быть вызваны ошибками репликации .
В зависимости от условий появления мутации подразделяют на спонтанные — то есть мутации, возникшие в нормальных условиях, и индуцированые — то есть мутации, которые возникли при особых условиях.
Мутации могут возникать не только в ядерной ДНК, но и, например, в ДНК митохондрий или пластид. Соответственно, мы можем выделять ядерные и цитоплазматические мутации.
В результате возникновения мутаций часто могут появляться новые аллели. Если мутантный аллель подавляет действие нормального, мутация называется доминантной . Если нормальный аллель подавляет мутантный, такая мутация называется рецессивной . Большинство мутаций, приводящих к возникновению новых аллелей являются рецессивными.
По эффекту выделяют мутации адаптивные , приводящие к повышению приспособленности организма к среде, нейтральные , не влияющие на выживаемость, вредные , понижающие приспособленность организмов к условиям среды и летальные , приводящие к смерти организма на ранних стадиях развития.
По последствиям выделяются мутации, приводящие к потери функции белка , мутации, приводящие к возникновению у белка новой функции , а также мутации, которые изменяют дозу гена , и, соответственно, дозу белка синтезируемого с него.
Мутация может возникнуть к любой клетке организма. Если мутация возникает в половой клетке, она называется герминативной (герминальной, или генеративной). Такие мутации не проявляются у того организма, у которого они появились, но приводят к появлению мутантов в потомстве и передаются по наследству, поэтому они важны для генетики и эволюции. Если мутация возникает в любой другой клетке, она называется соматической . Такая мутация может в той или иной степени проявляться у того организма, у которого она возникла, например, приводить к образованию раковых опухолей. Однако такая мутация не передается по наследству и не влияет на потомков.
Мутации могут затрагивать разные по размеру участки генома. Выделяют генные , хромосомные и геномные мутации.
Генные мутации
Мутации, которые возникают в масштабе меньшем, чем один ген, называются генными , или точечными (точковыми) . Такие мутации приводят к изменению одного и нескольких нуклеотидов в последовательности. Среди генных мутаций выделяют замены , приводящие к замене одного нуклеотида на другой, делеции , приводящие к выпадению одного из нуклеотидов, инсерции , приводящие к добавлению лишнего нуклеотида в последовательность.
Рис. 23. Генные (точечные) мутации
По механизму воздействия на белок, генные мутации делят на: синонимичные , которые (в результате вырожденности генетического кода) не приводят к изменению аминокислотного состава белкового продукта, миссенс-мутации , которые приводят к замене одной аминокислоты на другую и могут влиять на структуру синтезируемого белка, хотя часто они оказываются незначительными, нонсенс-мутации , приводящие к замене кодирующего кодона на стоп-кодон, мутации, приводящие к нарушению сплайсинга:
Рис. 24. Схемы мутаций
Также по механизму воздействия на белок выделяют мутации, приводящие к сдвигу рамки
считывания
, например, инсерции и делеции. Такие мутации, как и нонсенс-мутации, хоть и возникают в одной точке гена, часто воздействуют на всю структуру белка, что может привести к полному изменению его структуры.
Рис. 29. Хромосома до и после дупликации
Геномные мутации
Наконец, геномные мутации затрагивают весь геном целиком, то есть меняется количество хромосом. Выделяют полиплоидии — увеличение плоидности клетки, и анеуплоидии, то есть изменение количества хромосом, например, трисомии (наличие у одной из хромосом дополнительного гомолога) и моносомии (отсутствие у хромосомы гомолога).
Видео по теме ДНК
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК, КОДИРОВАНИЕ РНК, СИНТЕЗ БЕЛКА
Вопрос: «обрый день. Посмотрите, пожалуйста. . РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ мазка на ИППП -- ДНК Gardnerella vaginalis 2x10^8 Копии/мл норма-- Не более ДНК Lactobacillus spp ДНК Atopobium vaginae не обнаружено норма-- Не более ДНК Lactobacillus spp ДНК Lactobacillus spp. 2x10^7 Копии/мл норма-- Не менее ДНК Bacteria ДНК Bacteria(Общее количество бактерий) 6x10^8 Копии/мл норма-- Не менее 10^6 Состояние бактериального микроценоза --- Соотношения концентраций ДНК микроорганизмов соответствуют бактериальному вагинозу.Уреа,мико,хлам,трих,гонококк,кандида не обнаружена. .В мазке на флору есть лейкоциты во влаг.14-15 ед.,шейке 18-20,уретра 3-4.кл.плоского эпителия ---единичны.гр.палочки -неб.кол-во..кокки отсутствуют.Скажите.пожалуйста.что это и как лечиться.Нужно ли мужу лечение. Выделений почти нет.есть слегка дискомфорт.Спасибо»
Вопрос: «Пожалуйста ответьте.»
Ответ: «Здравствуйте По представленным результатам есть данные о наличии бактериального вагиноза, т.е. нарушения соотношения флоры влагалища, когда становится больше тех бактерий, которые в норме должны быть во влагалище в небольшом количестве. Это не является половой инфекцией. Причинами развития чаще всего являются половые инфекции (но у Вас их нет - в мазке есть на
это указание), дисбактериоз кишечника и, нередко, наличие хронического простатита у полового партнера. Лечение заочно я назначить не могу. Могу дать следующие рекомендации: если подобное нарушение повторяется часто, значит надо обследовать кишечник - сдать кал на дисбактериоз кишечника, исключить хронические заболевания печени, поджелудочной железы. Кроме того, если у партнера есть проблемы с простатой, ему необходимо проконсультироваться с урологом и получить лечение у уролога, так как в случае недолеченного или вялотекущего простатита, женщина будет страдать постоянным нарушением микрофлоры. В таких случаях оба партнера лечатся вместе: женщине лечение назначает гинеколог, мужчине - уролог. Если подобная ситуация выявлена впервые, гинеколог назначит короткий курс лечения только Вам, который будет состоять из двух этапов: на первом этапе необходимо избавиться от избыточного количества гарднерелл, а на втором - восстановить нормальную микрофлору и кислотность влагалища.»
Вопрос: «Спасибо за ответ.Баквагиноз впервые,мужа ничего не беспокоит.Врач у нас старенькая женщина и лечит по старому(метронидазол). Анализы сдавала в платной лаб.самостоятельно. и лечиться хочу самостоятельно,другого выхода нет..Сейчас много новых препаратов.,незнаю,что выбрать для 1 этапа.Может посоветуете что-то щадящее и эффективное. а на 2 этапе хочу применить св. Лактонорм или ацилакт,если найду.В прошлом году удалили желчный,с печенью норм.- на диете.Благодарю Вас.»
Вопрос: «Могу ли я пролечиться св. Гексикон или Метрогил гель,а потом восстанавливать флору.?спасибо.»
Ответ: «Во влагалище будут эффективны любые свечи, содержащие метронидазол (клион Д, тержинан, нео-пенотран, метрогил и т.д.) курсом до 10 дней. Внутрь также обязательны препараты этой группы: метронидазол, орнидазол, ниморазол) курсом до 7 дней. Для восстановления флоры подойдут любые вагинальные препараты, содержащие лактобактерии курсом до 10-14 дней»
Ответ: «Если выбирать между гексиконом и метрогилом в этой ситуации, лучше предпочесть метрогил»
Вопрос: «Благодарю Вас за помощь. Еще скажите,пожалуйста,не начав лечения хочу сдать мазок на флору,сейчас начались месячные.через сколько дней можно сдавать?И что делать в ситуации,если мазок окажется нормальным.Все равно лечить баквагиноз?Спасибо Вам.»
Ответ: «Мазок сдавать, когда полностью закончатся кровяные выделения. Мазок на флору носит ориентировочный характер. То исследование, коорое Вы сделали ранее, более углубленное. Ориентироваться надо на него»
Вопрос: «Спасибо.Всего доброго!»
Ответ: «Обращайтесь»
«Спасибо за помощь» - Пользователь
pulsplus.ru
Обязательной процедурой при посещении гинеколога является взятие биологического материала для оценки состояния микрофлоры и клеток эпителия влагалища, внутренней слизистой оболочки тела матки, эндометрия, цервикального канала.
Гинекологический мазок, исследование и расшифровка которого проводится в лабораторных условиях, обладает высокой информативностью.
Анализ позволяет определить гормональный уровень репродуктивной системы, количество и состав влагалищных выделений, бактериальное содержание микрофлоры у женщин, предупредить воспалительные процессы, выявить патологии развития, наличие новообразований и инфекции, которые передаются половым путем.
Заболеваниями женской половой системы занимается специализированное направление в медицине - гинекология.
Причин для обращения пациенток достаточно много: прохождение медкомиссии для приема на работу, беременность, болевые или неприятные схваткообразные ощущения в области нижней части живота, зуд или жжение, молочница, обильные менструации или выделения неизвестного происхождения.
Общий мазок или микроскопия проводится во время профилактического осмотра или в период планирования беременности. Результатом является изучение цервикального и мочеиспускательного канала, влагалища, у девственниц - прямой кишки.
Анализ Папаниколау на цитологию дает возможность вовремя обнаружить вирус папилломы, предраковые состояния эпителия, шейки матки. Рекомендуется проходить ПАП-тест всем представительницам женского пола, имеющим наследственные онкологические заболевания, лицам старше 21 года.
Бактериологический метод исследования, бакпосев у женщин, рекомендуется при подозрении на течение воспалительного процесса, нарушение микрофлоры, которое было вызвано условно-патогенными и патогенными микроорганизмами.
ПЦР проводится в виде анализа на инфекции, передающиеся, в основном, половым контактным путем. Дает полную информацию о бактериальном составе внутренней микрофлоры.
Эффективность и достоверность метода составляет 98%.
Прежде, чем назначать обследование, гинеколог или сотрудник лаборатории обязан предупредить пациентку о том, как правильно сдать мазок на флору, что можно и нельзя делать перед процедурой.
Подготовка к микроскопическому исследованию предусматривает отказ от сильнодействующих антибиотиков за 2 недели до предполагаемого анализа, посещения ванной комнаты накануне. Следует постараться не ходить в туалет за 2 часа до анализа.
Диагностику лучше делать не перед, а во время месячных и в первые два дня после.
Чтобы повысить чувствительность теста, бакпосев на микрофлору проводится при отсутствии лечения антибактериальными препаратами и спринцевания. Обязательно соблюдать специальный режим питания за 2-3 дня до бактериологического анализа: ограничить продукты, провоцирующие брожение или расстройство кишечника.
Воздержаться от полового сношения с партнером и не подмываться за 24 часа до забора данных.
За 3-5 дней перед назначенной ПЦР диагностикой запрещен прием любых антибактериальных и противозачаточных средств. За 36 часов необходимо исключить половые контакты. Желательно за сутки до ПЦР и накануне взятия анализа не ходить в душ. Материал берется во время менструации и на протяжении 1-2 дней после ее окончания.
Техника проведения забора материала проводится обычно в утренние часы в отделении гинекологии или непосредственно в самой лаборатории. Взятие влагалищных выделений и участков на исследование назначается только для женщин, которые живут половой жизнью. У девочек его берут более аккуратно с бокового свода влагалища, чтобы исключить повреждение девственной плевы, и из кишечника, выделения секрета.
Все манипуляции происходят на гинекологическом кресле. В это время специалист вводит специальное зеркало в зависимости от возраста и физиологических особенностей пациентки. Если органы еще не сформированы, используется размер XS, девушкам потребуется зеркало S. После родовой деятельность применяются инструменты для осмотра с диаметром 25-30 мм, размером M, L.
Сбор материала проводится шпателем или лопаточкой, щеточкой, наносится на предметное стекло или помещается в пробирку для дальнейшей передачи полученных результатов в лабораторию.
Самостоятельно сделать вывод о том, насколько хороший или плохой мазок получился, невозможно без соответствующих знаний. С помощью специальных обозначений расшифровать микроскопическое исследование мазка очень просто. В зависимости от локализации взятого биологического материала различают: влагалище - «V», шейка матки - «C» и уретра - «U».
Грамположительные палочки, «Гр.+» и отсутствие кокковой флоры. Результат - «++++». Наблюдается достаточно редко, чаще всего является последствием интенсивной антибактериальной терапии. Норма: «++», «+++» палочки, количество кокков не превышает «++».
Грамотрицательные бактерии гонококки - «Gn», влагалищные трихомонады - «Trich», дрожжи рода «Candida». Соответствуют заболеваниям, как гонорея, трихомониаз и кандидоз.
Наличие ключевых клеток и кишечной палочки, если они указаны в составе микрофлоры, говорит о том, что у пациентки присутствует бактериальный вагиноз.
Всем без исключения пациенткам, начиная с 14 лет и до наступления менопаузы, соответствует одна и та же норма, полученная в результате лабораторного микроскопического исследования.
Лейкоциты. Обеспечивая защиту организма от проникающих вирусов, бактерий и инфекций, могут быть в поле зрения, но не должны превышать показателя во влагалище - 10, в шейке матки - 30, уретре - 5.
Эпителий. Умеренное количество эпителиальной ткани - норма. Большое количество указывает на возможное воспаление, а слишком низкое - на недостаточную выработку гормона эстрогена.
Слизь. Допускается незначительное количество или ее отсутствие. Максимальная суточная норма выделений секрета желез канала шейки матки - 5 мл.
Грамположительные палочки, «Гр.+». Обязательно должны присутствовать лактобациллы и палочки Додерлейна в большом количестве. Они отвечают за иммунный ответ организма на чужеродные тела. В шейке матки и уретре их быть не должно.
«Гр.-», грамотрицательные, анаэробные палочки не определяются.
Гонококки с условным обозначением «gn», трихомонады, хламидии, ключевые и атипичные клетки, грибы, дрожжи, Candida отсутствуют. Если они обнаруживаются в результатах, пациентке назначается дополнительное обследование на гонорею, трихомониаз, хламидиоз, бактериальный вагиноз, молочницу.
Чтобы избежать осложнений в период вынашивания плода, беременным рекомендуется определять степень чистоты гинекологического мазка. В норме у здоровой женщины микрофлору влагалища на 95-98% составляют Bacillus vaginalis или лактобактерии палочки Додерлейна. Они вырабатывают молочную кислоту, которая способствует сохранению уровня кислотности.
Патогенные и условно-патогенные микроорганизмы не способны выживать в таких условиях. Но под действием различных факторов, как половая активность, менопауза, менструальный цикл и снижение иммунитета, показатели микрофлоры могут меняться.
Разнообразие состава, помимо лактобактерии палочки Додерлейна, который являются неотъемлемой частью микрофлоры влагалища обследуемой женщины, начинают изучать не сразу. Посев на специально созданную благоприятную среду собранного биологического материала для его последующего роста, развития и размножения занимает время.
Оценить бактериологический посев на флору можно через микроскоп при условии увеличения численности представителей микроорганизмов.
Вероятность обнаружить участки измененного эпителия, вируса папилломы и онкологических новообразований достаточно велика после 30 лет, начала половой жизни.
Правильная расшифровка ПАП-теста зависит от наличия или отсутствия раковых, нетипичных клеток.
Высокой чувствительностью и достоверностью полученных данных отличается молекулярно-биологический метод ПЦР диагностики. Благодаря созданию более ранних образцов выделенного и скопированного участка ДНК происходит сравнение с полученным биологическим материалом.
Анализ на инфекции с помощью ПЦР дает возможность за короткий срок найти возбудителя заболевания женских половых органов с помощью получения положительного или отрицательного результата.
Полимеразная цепная реакция облегчает определение хламидиоза, уреаплазмоза, молочницы, трихомониаза, ВПЧ, ВИЧ, поиск причин течения тяжелой беременности и гормональных нарушений.
Недостатками ПЦР являются случаи ложных данных при неправильно проведенных тестах, возможной мутации ДНК возбудителя.
gemoparazit.ru
днк бактерия в мазке
ДНК из большинства бактерий содержится в одной кольцевой молекуле, которую называют бактериальной хромосомой.Хромосома, наряду с несколькими белками и РНК-молекулами, образует неправильной формы структуру под названием нуклеоид. Он находится в цитоплазме бактериальной клетки.
В дополнение к хромосоме бактерии часто содержат плазмиды – маленькие круговые молекулы ДНК. Бактерии могут собирать новые плазмиды из других бактериальных клеток (при конъюгации) или из окружающей среды. Они могут также легко потерять их – например, когда бактерия делится на две части, одна из дочерних клеток может пропустить некоторые плазмиды.
Каждый плазмид имеет свою «инициацию репликации». Это цепь ДНК, которая копирует цепь бактерии-хозяина. По этой причине плазмиды могут копировать себя независимо от бактериальной хромосомы, так что может быть много копий плазмиды в одной бактериальной клетке. Плазмиды помогают днк бактерии противостоять антибиотикам. Плазмиды содержат только несколько генов, но они делают большое дело для бактерии-хозяина. Как правило, они не являются необходимыми для выживания бактерии постоянно, но помогают бактерии преодолеть подчас стрессовые ситуации. Например, многие плазмиды содержат гены, которые при экспрессии делают бактерии-хозяина устойчивым к антибиотикам.
Бактерии - убийцы
Поглощение ДНК бактериями
У ДНК обнаруженных бактерий нет аналогов на Земле
ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота) полимер, выполняющий функции хранения, передачи и реализации информации жизнедеятельности организмов. Она служит информационным носителем о структуре разнообразных видов РНК и белков.
Ядро клетки прокариотов содержит кольцевую ДНК – замкнутый полимер, не имеющий концевых генов. Для этих молекул (нуклеотиды), характерно прикрепление в клетках к мембране изнутри. В клетках прокариотов и низших эукариотов присутствуют кольцевые плазмиды. Линейную ДНК содержат клетки животных, растений и грибов (эукариот).
Начало бурного развития молекулярной биологии спровоцировало в 1953 г. открытие двухцепочной структуры. Выдающиеся ученые, внесшие решающий вклад в этот прорыв Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон, Морис Уилкинс в 1962 г. удостоились Нобелевской премии.
Некоторые вирусы содержат геномную ДНК кольцевой формы. У человека кольцевая ДНК находится в митохондриях цитоплазме. Носители кольцевой это клетки доядерных организмов – прокариотов: клеточные органоиды митохондрии и пластиды; простейшие одноклеточные бактерии. Прокариоты представлены множеством видов.
Кольцевая ДНК
Фототрофы представители - хлорофиллы и каротиноиды, используют свет в качестве источника энергии. Серные бактерии, усваивая водород, окисляют сероводород до серы и сульфатов. Цианобактерии расщепляя воду, выделяют молекулярный кислород. Бактерии – хемоавтотрофы для получения энергии используют неорганические вещества. Получают из аммиака нитриты, усваивая углерод. Они способны выполнять окисление двухвалентного железа до трехвалентного. Бактерии – органотрофы, использующие химическую реакцию брожения, как источник жизни. Их еще называют анаэробными.
Также существуют прокариоты, приспособившиеся жить в организме живых существ. Среди них встречаются виды, приносящие пользу своим хозяевам. Например, бактерии помогающие пищеварению и усвоению полезных веществ. Есть виды, не приносящие ни вреда, ни пользы.
Еще один представитель прокариотов цианеи — сине-зелёные водоросли. Они очищают воду, помогают минерализации продуктов гниения.
Кольцевое строение ДНК наиболее эффективно для ее удвоения, то есть репликации. Репликация кольцевого типа достаточно простой процесс удвоения молекулы. То есть по принципу комплементарности происходит разделение и наращивание по еще одной цепочке. В результате получаем две дочерние ДНК, идентичные копии исходной. Репликация не что иное, как рост многоклеточного организма или размножение одноклеточного. В случае кольцевого строения молекулы процесс удвоения протекает наиболее точно без погрешности за счет отсутствия концевых генов.
Новая эра в медицине это изобретение вакцин. Сейчас на разработку вакцин направлено много научных исследований. Целью подобных изысканий служит предупреждение заболеваемости человека.
Производство ДНК-вакцин происходит с помощью методики рекомбинантной ДНК. Заражающая бактерия ослабляется путем искусственных мутаций генов. Подобный принцип применяют для производства живых рекомбинантных вакцин. Их получают, вводя ген, кодирующий иммуногенный протеин клетки, а затем встраивают внутрь стабильного полимера кольцевой ДНК — плазмиду. Помимо того в плазмиду встраиваются элементы, для эффективной вставки гена в клетку эукариота и синтеза белка. Преобразованную плазмиду помещают в бактериальную среду для размножения. После из бактерий получают плазмидную ДНК, очищая от примесей. Это и есть живая вакцина. Она способствует невосприимчивости к возбудителям болезни. Эти плазмиды, не проникают в человеческие хромосомы.
Способность живых вакцин вырабатывать иммунитет по отношению к болезнетворным возбудителям доказана.
Генная инженерия предоставляет большие возможности преобразования клеток эукариотов и прокариотов для выработки белка. Что позволяет проанализировать строение и функции белков для применения их как лекарство.
Внутрь простейших организмов вводятся гены, продуцирующие важные белки для медицинских целей. Научные лаборатории применяют специализированное оборудование для получения лекарств (антибиотиков, ферментов, гормонов, витаминов, других активных соединений) из специально выведенных микроорганизмов.
Один из примеров кишечная палочка. Ее клетки служат для воспроизводства человеческого гормона инсулина. Выработанный таким образом гормон не имеет примесей, не дает нежелательных эффектов по сравнению с животным инсулином. Кишечная палочка способна продуцированию соматотропина. Раньше его производили из трупного материала, но такой гормон мог включать вирусы. Препарат интерферон противовирусного значения рожден в лаборатории благодаря генной инженерии.
Основа генотарапии — открытие структуры ДНК. Основополагающим является, исправление генетического материала посредством подконтрольного изменения.
Сегодня стадию разработки проходит задача доставки генетически активного материала к проблемным клеткам, содержащим дефектный ген. То есть, главное, организовать эффективный способ доставки и обеспечить длительное функционирование генетического материала. Как один из способов применение чистой ДНК, встраиваемой в плазмиду. Сам вопрос доставки корректирующего материала практически решен. Но такие задачи, как стабильность, регулируемость, безопасность материала проходят стадию доработки.
Генотерапия открывает большие перспективы в лечении наследственных заболеваний, нарушений центральной нервной системы, инфекционных и онкологических заболеваний.
Несмотря на существенное продвижение науки в изучении структуры остается много вопросов. Самый актуальный вопрос это причина наличия кольцевой ДНК у простейших организмов, а линейной — у высших организмов.
Генетический материал бактерий представлен нуклеоидом, плазмидами, транспозонами и вставками-последователь-ностями.
Нуклеоид, илибактериальная хромосома, представляет собой двухнитевую кольцевую ДНК, не отделённую мембраной от цитоплазмы. Нуклеоид фиксирован специальными рецепторами к цитоплазматической мембране вблизи мезосомы – инвагинации мембраны, участвующей в делении клетки. Молекулярная масса ДНК у бактерий сравнительно велика и составляет, в среднем, 10 10 Д (5 * 10 6 пар оснований; геном человека составляет 2,9 * 10 9 пар оснований). Молекула хромосомной ДНК находится в суперспирализованной форме и свёрнута в виде петель, число которых составляет 12-80 на хромосому. Петли в центре нуклеоида объединены за счёт молекулы 4,5S-РНК. Такая упаковка ДНК не препятствует её репликации и обеспечивает постоянную транскрипцию отдельных оперонов. Нуклеоид является жизненно необходимой генетической структурой, поскольку содержит информацию, нужную для обеспечения конструктивного и энергетического метаболизма бактерий. При благоприятных условиях количество копий ДНК в интерфазе может увеличиваться и достигать значений, эквивалентных по массе 2, 4, 6 и даже 8 нуклеоидам. Это уникальное свойство бактериального генома позволяет бактериям регулировать метаболизм и скорость собственного размножения.
Нуклеоид состоит из структурно-функциональных фрагментов ДНК – генов, каждый из которых контролирует синтез 1 белка (рис. 1). Гены в нуклеоиде бактерий расположены дискретно – последовательно один за другим. Число генов достигает 400-600 у хламидий, 1000 – у риккетсий, 2500-3000 – у кишечной палочки.
Рисунок 1
Структурно-функциональная организация бактериальной ДНК
Гены, несущие информацию о синтезируемых бактерией ферментах или структурных белках, называются структурными генами , или генами-цистронами . Гены-цистроны управляются функциональным геном – геном-оператором , с которым гены-цистроны образуют более сложную структурно-функциональную единицу ДНК – оперон . В пределах гена-оператора находятся следующие элементы: промотор (область, с которой взаимодействует РНК-полимераза), энхенсор (область, усиливающая транскрипцию оперона); аттенуатор (область, ослабляющая работу оперона), терминатор (область, блокирующая работу оперона). В свою очередь, оперон или группа оперонов находятся под управлением 1 гена-регулятора . Так образуется более сложная структурно-функциональная единица – регулон .
Гены, содержащие информацию о том или ином соединении, принято обозначать строчными начальными буквами латинского алфавита со знаком «+», соответствующими названию данного соединения. Например, arg + - аргининовый ген, his + - гистидиновый ген, lac + - лактозный ген и т.д. Отсутствие данного гена обозначают знаком «-» (arg - , his -). Гены, обусловливающие резистентность к лекарственным препаратам, фагам, обозначают буквой r (от англ. resistant –резистентный). Например, резистентность к пенициллину записывают pen r , а чувствительность – pen s (от англ. sensitive – чувствительный).
К внехромосомным факторам наследственности у бактерий относятся плазмиды, транспозоны, вставки-последовательности. В отличие от нуклеоида, все они не являются жизненно необходимыми для бактерий, поскольку не несут информации о синтезе ферментов, участвующих в энергетическом или конструктивном метаболизме. Вместе с тем, внехромосомные факторы наследственности способны наделять бактерии определёнными селективными преимуществами.
Плазмиды представляют собой кольцевые суперспирализованные молекулы двухнитевой ДНК, содержащие 1500-400000 пар нуклеоидов. Молекулярная масса бактериальных плазмид составляет 10 6 -10 8 Д. Плазмиды могут содержать до 90 генов, которые контролируют саморепликацию плазмид, их самоперенос или мобилизацию на перенос, специфические функции самой плазмиды, а также свойства, привносимые в бактериальную клетку. Плазмиды, свободно расположенные в цитоплазме, называются автономными . Они имеют кольцевую структуру, реплицируются независимо от нуклеоида и могут быть представлены несколькими копиями. Плазмиды, встроенные в нуклеоид, называются интегрированными . Такие плазмиды имеют линейную структуру, реплицируются синхронно с нуклеоидом и представлены 1 копией. Интеграция плазмид происходит только в гомологичные участки бактериальной хромосомы.
В зависимости от способности передаваться при конъюгации от одной бактерии к другой плазмиды разделяют на конъюгативные и неконъюгативные . Конъюгативные плазмиды способны к самопереносу, то есть не только могут переходить от клетки-донора к клетке-реципиенту, но и отвечают за образование конъюгативных пилей (F-плазмиды). Неконъюгативные плазмиды передаются дочерним бактериям при бинарном делении материнской клетки, при трансформации и трансдукции. Неконъюгативные плазмиды неспособны самостоятельно индуцировать конъюгацию, но могут быть перенесены при конъюгации из одной бактерии в другую в случае интеграции с конъюгативными плазмидами.
Плазмиды осуществляют 2 функции – регуляторную и кодирующую. Первая заключается в компенсации нарушений структуры ДНК нуклеоида посредством встраивания в повреждённый участок и восстановления его функций. Кодирующая функция плазмид состоит во внесении в бактериальную клетку новой генетической информации, что проявляется появлением у бактерий нового признака (например, устойчивости к антибиотикам).
Классификация плазмид основана на том, что родственные плазмиды неспособны стабильно сосуществовать в одной клетке, одна из них подвергается элиминации. Несовместимые плазмиды объединяют в одну inc-группу (от англ. incompatibility – несовместимость). Inc-группа соответствует биологическому виду. Например, плазмиды энтеробактерий разделены на 39 inc-групп (incB, incC, incD и т.д.). Плазмиды, относящиеся к одной и той же inc-группе, имеют сходную молекулярную массу, высокую степень гомологии ДНК, наделяют клетку подобными морфологическими и серологическими свойствами.
По функциональной направленности выделяют: конъюгативные (F-), резистентности (R-), бактериоциногенные (Col-), патогенности (Ent-, Hly-), биодеградативные и криптические плазмиды.
F-плазмиды (от англ. fertility – плодовитость) содержат гены, контролирующие образование конъюгативных пилей (F-пилей), необходимых при конъюгации бактерий-доноров (F +) с бактериями-реципиентами (F -). Перенос генетического материала у F-плазмиды детерминирует tra-оперон (от англ. transfer – перенос). F-плазмиды могут находиться как в автономном, так и в интегрированном состоянии. Автономные F-плазмиды реплицируются независимо от нуклеоида и способны передаваться клеткам-реципиентам при конъюгации. Интегративное состояние F-плазмиды обратимо.
R-плазмиды (от англ. resistance – устойчивость) содержат гены, обеспечивающие бактериям устойчивость к лекарственным препаратам. R-плазмиды относятся к конъюгативным плазмидам, поскольку, наряду с генами резистентности, содержат все гены, ответственные за перенос факторов устойчивости из клетки в клетку. За устойчивость к какому-либо антибиотику отвечает r-ген, в состав которого могут входить вставки-последовательности и транспозоны. Многие r-гены являются транспозонами. Tra-оперон R-плазмид обеспечивает их конъюгативность.
Бактериоциногенные плазмиды содержат гены, кодирующие белки бактериоцины , которые вызывают гибель бактерий того же вида или близких видов. Первые бактериоцины – колицины были обнаружены у Escherichia coli (отсюда Col-плазмиды). Подобные бактериоцины выявлены у бактерии чумы (пестицины), стафилококков (стафилоцины), холерных вибрионов (вибриоцины). Бактериоцины способствуют выживанию бактерий, их продуцирующих, подавляя жизнедеятельность конкурентных микроорганизмов. Бактериоциногенные плазмиды относительно крупные (молекулярная масса 25-150 * 10 6 Д), присутствуют в бактериальной клетке в количестве 1-2 копий, преимущественно в автономном состоянии; конъюгативны (имеют tra-оперон). Широко распространены среди грамотрицательных бактерий.
Плазмиды патогенности контролируют токсинообразование и вирулентные свойства бактерий. К ним относятся Ent-плазмиды (обусловливают синтез энтеротоксинов), Hly-плазмиды (кодирует синтез гемолизинов), CFA-плазмиды (контролируют адгезию, колонизацию и некоторые антигены), а также F-, R- и Col-плазмиды, содержащие tox-гены, отвечающие за токсинообразование.
Биодеградативные плазмиды содержат гены, кодирующие сахаролитические, протеолитические и другие ферменты, позволяющие разрушать органические и неорганические соединения, в том числе содержащие тяжёлые металлы. Наличие плазмид биодеградации у патогенных или условно-патогенных для человека бактерий придаёт им преимущество перед представителями аутохтонной микрофлоры. Например, кишечная палочка, содержащая плазмиду биодеградации с геном уреазы, способна ферментировать мочевину и выживать в мочеполовом тракте.
Криптические (скрытые) плазмиды не содержат генов, которые можно было бы выявить по их фенотипическому проявлению.
Таблица 2
Сравнительная характеристика плазмид и вирусов
| Признак | Плазмиды | Вирусы |
| Тип генома | Только двухнитевая ДНК (в автономном состоянии – кольцевая, в интегрированном – линейная) | Только РНК или ДНК. Более 10 вариантов РНК- и ДНК-геномов (линейные, кольцевые, одно-, двухнитевые, цельные, фрагментированные) |
| Наличие белковой оболочки | Отсутствует | Имеется |
| Синтез белков в процессе размножения | Отсутствует | Имеется |
| Среда обитания | Только бактерии | Бактерии, растения, животные |
| Наличие генов переноса или мобилизации на перенос из клетки в клетку | Имеются | Отсутствуют |
| Генетический контроль числа копий геном на хромосому клетки-хозяина | Имеется | Отсутствует |
| Генетический контроль равномерности распределения в дочерних клетках-хозяевах | Имеется | Отсутствует |
| Генетический контроль стабильного сохранения в клетке-хозяине | Имеется | Отсутствует |
| Последствия инфицирования клеток | Функции бактериального генома не подавляются, контролируемое размножение, отсутствие гибели клеток; наделение бактерий свойствами, обеспечивающими их размножение в неблагоприятных условиях | Подавление функционирования клеточного генома, бесконтрольное размножение, гибель клетки; персистирование, наделение умеренными фагами клеток дополнительными свойствами. |
Траспозоны или Тn-элементы (от англ. transposition – транспозиция, изменение своего местоположения) представляют собой линейные фрагменты ДНК, состоящие из 2000-25000 пар нуклеотидов (рис. 2).
В состав транспозона входят: (1) транспозируемые структурные и/или функциональные гены; (2) 2 вставки-последовательности (Is-элементы); (3) прямые повторяющиеся последовательности (ограничивающие транспозоны). Транспо
Вставки-последовательности или Is-элементы (от англ. insertion – вставка и sequence – последовательность) представляют собой линейные фрагменты ДНК, содержащие 800-1500 пар нуклеоидов. Структурная организация Is-элементов представлена на рис. 3.
 |
Бактерии – прокариотические микроорганизмы, генетический материал которых в основном представлен единственной кольцевой двухцепочечной ДНК, называемой генетиками хромосомой. В относительно редких случаях хромосома представлена линейной молекулой ДНК.
Размер этой ДНК намного превышает размер самой бактериальной клетки. Так, например, у E. coli протяженность хромосомной ДНК равна 1300 мкм (1,3 мм – 4,6 х 10 6 п.н.), а размер клетки 1,1-1,5 х 2,0-6,0 мкм. Причем ДНК не заполняет всю клетку, а содержится только в ограниченной области, составляющей, весьма приблизительно, одну треть объема клетки.
   |
Рис.1. Бактериальный геном и схема уровней его компактизации.
Отсюда следует, что ДНК существует в клетке в высокоупорядоченном (сконденсированном) состоянии в виде компактной структуры. Эта структура, отдаленно напоминая ядра эукариот, получила название нуклеоид и видна в микроскопе только после специфичных для ДНК окрасок (рис.1). В электронном микроскопе она выглядит как образование, состоящее из многочисленных петель, отходящих от плотной центральной области. Образование большого числа (до 140 на геном) петель, называемых доменами , является одним из уровней компактизации ДНК. Каждый домен закреплен у основания молекулой РНК и состоит примерно из 40 т.п.н. ДНК петель находится не в виде свободно вытянутого дуплекса, а имеет второй уровень компактизации за счет скручивания в сверхспиральные образования с помощью связи с белками HLP.
Эти белки имеют небольшой размер, обладают сильноосновными свойствами и прочно связываются с ДНК. По аминокислотному составу они напоминают гистоны эукариот.
Нуклеоид не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной и прикреплен к мезосомам – специфическим впячиваниям цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Связь ДНК со специфическим участком мембраны необходима для функционирования генома.
Кольцевая молекула ДНК бактерий (хромосома) представляет самореплицирующуюся генетическую молекулу – репликон . Репликация начинается с точки инициации репликации (ori – orign) , локализующейся, как правило, в участке прикрепления ДНК к мембране. От точки инициации репликация происходит последовательно, двунаправленно, по полуконсервативному механизму. Заканчивается репликация в районе терминации репликации (ter) , расположенном на участке кольцевой ДНК, противоположном точке начала репликации (рис.2).
Рис. 3. Распределение дочерних копий ДНК и деление клетки бактерий.
Число хромосом в одной клетке бактерий зависит от стадии развития и физиологических условий роста культуры. В логарифмической стадии роста у E. coli на 1 нуклеоид приходится 2,8 ДНК эквивалентов одного генома, вследствие замедленной сегрегации двух дочерних хромосом, или реинициации новых циклов репликации ДНК еще до деления клетки (рис.4).
 |
Рис.4. Число хромосом в клетке в стационарной (А) и логарифмической (Б) стадиях роста культуры.
У некоторых бактерий клетки в норме содержат не одну, а много хромосом. Они могут формировать один или несколько нуклеоидов. Также наблюдается зависимость содержания ДНК в клетке от ее размеров, хотя это не означает соответствующего изменения объема генетической информации.
Для бактериальной ДНК характерна высокая плотность генов (1 ген на 1тпн). ДНК, кодирующая белки, составляет около 85-90% всей ДНК. Средний размер ДНК-последовательностей между генами – только 110-125 п.н. Некодирующая бактериальная ДНК занимает менее 1%, и она обычно представлена в виде транспозонов. Так, в ДНК штамма Escherichia coli K12 линии MG 1655 найдена 41 копия различных транспозонов (IS), которые участвуют в процессах внедрения и исключения плазмид. Многие фаги, исключаясь из генома бактерии не полностью, оставляют там в качестве следа некоторые свои гены. Эти остатки, не способные к самостоятельному перемещению и развитию, называют "криптическими" фагами.
Интроны встречаются в бактериальных геномах крайне редко. Имеются случаи перекрывания генов, где один ген находится внутри другого на той же нити ДНК. Для бактериальных геномов характерны опероны: у Е. coli 27% предсказанных транскрипционных единиц являются оперонами.
В клетке бактерий могут содержаться и другие репликоны, способные существовать отдельно от бактериальной хромосомы. Их называют плазмидами . Плазмиды представляют собой кольцевые (у некоторых видов линейные) молекулы двухцепочечной ДНК различных размеров от 1000 п.н. до почти трети величины самой бактериальной хромосомы. Количество и спектр плазмид в клетках бактерий может варьировать. Часто наблюдаются различия по спектру плазмид даже между клетками разных штаммов одного и того же вида бактерий. Некоторые плазмиды могут встраиваться в бактериальную хромосому, составляя при этом часть репликона бактерии, и могут вновь исключаться из нее, восстанавливая форму автономного репликона. Такие плазмиды называют эписомами .
В генетический материал бактерий могут быть включены и профаги.
