ADN complementar. A estrutura dos ácidos nucléicos


As ligações de hidrogênio são formadas entre o grupo amino de uma base e o grupo carbonila de outra, bem como entre os átomos de nitrogênio amida e imina. Por exemplo, duas ligações de hidrogênio se formam entre adenina e timina, e essas bases heterocíclicas formam um par complementar. Isso significa que a base adenina de uma cadeia corresponderá à base timina da outra cadeia. Outro par de bases complementares é a guanina e a citosina, entre as quais ocorrem três ligações de hidrogênio.

As áreas ocupadas por pares de bases complementares são aproximadamente as mesmas.

A complementaridade das bases subjaz aos padrões formulados por E. Chargaff (regras de Chargaff):

1. - o número de bases púricas é igual ao número de bases pirimídicas;

2. - a quantidade de adenina é igual à quantidade de timina; a quantidade de guanina é igual à quantidade de citosina;

3. - a soma de adenina e citosina é igual à soma de guanina e timina

(A / T \u003d C / G \u003d 1).

O DNA de fita dupla com cadeias polinucleotídicas complementares oferece a possibilidade de auto-duplicação (replicação) da molécula. Esse processo complexo pode ser representado da seguinte forma: antes de dobrar, as ligações de hidrogênio são quebradas e as duas cadeias se desenrolam e divergem. Cada fita serve então como molde para a formação de uma fita complementar. Após a replicação, duas moléculas filhas de DNA são formadas, em cada uma das quais uma hélice é retirada do DNA pai e a outra (complementar) é sintetizada novamente.

A dupla hélice do DNA tem várias formas dependendo do grau de hidratação da molécula. As formas diferem na localização do plano dos pares de bases em relação ao eixo da hélice, entre si, de acordo com a variante da torção da hélice (para a direita, para a esquerda) e outras características.

Entre as correntes existem dois "sulcos" - grandes e pequenos. Nesses sulcos, as proteínas podem interagir especificamente com certos átomos. ácidos nucleicos, reconhecem sequências nucleotídicas específicas sem perturbar interações complementares dupla hélice. Foi estabelecido que, devido a tais interações, proteínas reguladoras podem controlar a expressão gênica.



Formas da estrutura secundária da molécula de DNA


Estrutura secundária do RNA

Uma molécula de RNA é construída a partir de uma única cadeia polinucleotídica. O número de nucleotídeos pode variar de 75 a vários milhares, e massa molecular mudará na faixa de 25 mil a vários milhões.

A cadeia polipeptídica de RNA não possui uma estrutura estritamente definida. Ele pode dobrar sobre si mesmo e formar seções separadas de duas fitas com ligações de hidrogênio entre bases purinas e pirimidinas. As ligações de hidrogênio no RNA não obedecem regras estritas como vDNA.

tRNA foi estudado em detalhes. A molécula de tRNA tem uma estrutura secundária, que consiste em quatro seções helicoidais, três, quatro alças de fita simples. Essa estrutura é chamada de "folha de trevo".

À direita está a maior hélice de DNA humano construída a partir de pessoas na praia de Varna (Bulgária), que foi incluída no Guinness Book of Records em 23 de abril de 2016

Ácido desoxirribonucleico. Informação geral

DNA (ácido desoxirribonucleico) - uma espécie de plano de vida, código complexo, que contém dados sobre informações hereditárias. Essa macromolécula complexa é capaz de armazenar e transmitir informações genéticas hereditárias de geração em geração. O DNA determina tais propriedades de qualquer organismo vivo como hereditariedade e variabilidade. A informação codificada nele determina todo o programa de desenvolvimento de qualquer organismo vivo. Fatores geneticamente incorporados predeterminam todo o curso da vida de uma pessoa e de qualquer outro organismo. Influência artificial ou natural ambiente externo pode afetar apenas ligeiramente a gravidade geral de traços genéticos individuais ou afetar o desenvolvimento de processos programados.

Ácido desoxirribonucleico(DNA) é uma macromolécula (uma das três principais, as outras duas são RNA e proteínas), que proporciona armazenamento, transmissão de geração em geração e implementação do programa genético para o desenvolvimento e funcionamento dos organismos vivos. O DNA contém informações sobre a estrutura vários tipos RNA e proteínas.

Nas células eucarióticas (animais, plantas e fungos), o DNA é encontrado no núcleo da célula como parte dos cromossomos, bem como em algumas organelas celulares (mitocôndrias e plastídios). Nas células de organismos procarióticos (bactérias e archaea), uma molécula de DNA circular ou linear, o chamado nucleoide, está ligada de dentro para fora. membrana celular. Eles e eucariotos inferiores (por exemplo, leveduras) também possuem pequenas moléculas de DNA autônomas, principalmente circulares, chamadas plasmídeos.

Com ponto químico O DNA é uma longa molécula de polímero composta de unidades repetidas chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo é formado por uma base nitrogenada, um açúcar (desoxirribose) e um grupo fosfato. As ligações entre os nucleotídeos em uma cadeia são formadas por desoxirribose ( Com) e fosfato ( F) grupos (ligações fosfodiéster).


Arroz. 2. O nucleotídeo consiste em uma base nitrogenada, açúcar (desoxirribose) e um grupo fosfato

Na esmagadora maioria dos casos (exceto para alguns vírus contendo DNA de fita simples), a macromolécula de DNA consiste em duas cadeias orientadas por bases nitrogenadas entre si. Esta molécula de fita dupla é torcida em uma hélice.

Existem quatro tipos de bases nitrogenadas encontradas no DNA (adenina, guanina, timina e citosina). As bases nitrogenadas de uma das cadeias estão ligadas às bases nitrogenadas da outra cadeia por ligações de hidrogênio de acordo com o princípio da complementaridade: adenina combina apenas com timina ( NO), guanina - apenas com citosina ( G-C). São esses pares que compõem os "degraus" da "escada" helicoidal do DNA (ver: Fig. 2, 3 e 4).


Arroz. 2. Bases nitrogenadas

A sequência de nucleotídeos permite "codificar" informações sobre Vários tipos RNA, dos quais os mais importantes são informação ou modelo (mRNA), ribossomal (rRNA) e transporte (tRNA). Todos esses tipos de RNA são sintetizados no molde de DNA copiando a sequência de DNA na sequência de RNA sintetizada durante a transcrição e participam da biossíntese de proteínas (processo de tradução). Além das sequências de codificação, o DNA celular contém sequências que desempenham funções regulatórias e estruturais.


Arroz. 3. Replicação do DNA

Localização das combinações básicas compostos químicos ADN e proporções quantitativas entre essas combinações fornecem a codificação de informações hereditárias.

Educação novo DNA (replicação)

  1. O processo de replicação: o desenrolamento da dupla hélice do DNA - a síntese de fitas complementares pela DNA polimerase - a formação de duas moléculas de DNA a partir de uma.
  2. A dupla hélice "descompacta" em dois ramos quando as enzimas quebram a ligação entre os pares de bases dos compostos químicos.
  3. Cada ramo é um novo elemento de DNA. Novos pares de bases são conectados na mesma sequência da ramificação pai.

Após a conclusão da duplicação, duas hélices independentes são formadas, criadas a partir dos compostos químicos do DNA parental e com o mesmo código genético. Desta forma, o DNA é capaz de rasgar informações de célula para célula.

Informações mais detalhadas:

ESTRUTURA DE ÁCIDOS NUCLÉICOS


Arroz. 4 . Bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina, timina

Ácido desoxirribonucleico(DNA) refere-se a ácidos nucleicos. Ácidos nucleicosé uma classe de biopolímeros irregulares cujos monômeros são nucleotídeos.

Nucleotídeos consiste em Base nitrogenada, ligado a um carboidrato de cinco carbonos (pentose) - desoxirribose(no caso de DNA) ou ribose(no caso de RNA) que se liga ao restante ácido fosfórico(H2PO3-).

Bases nitrogenadas Existem dois tipos: bases pirimídicas - uracil (apenas no RNA), citosina e timina, bases purínicas - adenina e guanina.


Arroz. 5. Tipos de bases nitrogenadas: pirimidina e purina

Os átomos de carbono em uma molécula de pentose são numerados de 1 a 5. O fosfato combina com o terceiro e quinto átomos de carbono. É assim que os ácidos nucleicos são ligados entre si para formar uma cadeia de ácidos nucleicos. Assim, podemos isolar as extremidades 3' e 5' da fita de DNA:


Arroz. 6. Isolamento isola as extremidades 3' e 5' da fita de DNA

Duas fitas de DNA se formam dupla hélice. Essas cadeias em espiral são orientadas em direções opostas. NO cadeias diferentes As bases nitrogenadas do DNA são unidas por ligações de hidrogênio. Adenina sempre combina com timina e citosina sempre combina com guanina. É chamado regra de complementaridade.

Regra de complementaridade:

A-T G-C

Por exemplo, se recebemos uma fita de DNA que tem a sequência

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

então a segunda cadeia será complementar a ela e direcionada para direção oposta- da extremidade 5' para a extremidade 3':

5'-TACAGGATCGACGAGC-3'.


Arroz. 7. A direção das cadeias da molécula de DNA e a conexão de bases nitrogenadas usando ligações de hidrogênio

REPLICAÇÃO

Replicação do DNAé o processo de duplicação de uma molécula de DNA síntese de matriz. A replicação ocorre mecanismo semiconservador. Isso significa que a dupla hélice do DNA se desenrola e uma nova cadeia é completada em cada uma de suas cadeias de acordo com o princípio da complementaridade. A molécula de DNA filha contém, portanto, uma fita da molécula-mãe e uma recém-sintetizada. A replicação ocorre na direção 3' para 5' da fita-mãe.

Arroz. 8. Replicação (duplicação) da molécula de DNA

Síntese de DNA- este não é um processo tão complicado como pode parecer à primeira vista. Se você pensar sobre isso, primeiro você precisa descobrir o que é a síntese. É o processo de juntar algo. A formação de uma nova molécula de DNA ocorre em várias etapas:

  • A DNA topoisomerase, localizada na frente da forquilha de replicação, corta o DNA para facilitar seu desenrolar e desenrolar.
  • A DNA helicase, seguindo a topoisomerase, afeta o processo de "desenrolamento" da hélice do DNA.
  • As proteínas de ligação ao DNA realizam a ligação das fitas de DNA e também realizam sua estabilização, evitando que elas grudem umas nas outras.
  • A DNA polimerase sintetiza a fita líder do DNA filho.


Arroz. 9. Representação esquemática do processo de replicação, os números indicam: (1) Lag strand, (2) Leading strand, (3) DNA polimerase (Polα), (4) DNA ligase, (5) RNA primer, (6) Primase , (7) Fragmento de Okazaki, (8) DNA polimerase (Polδ), (9) Helicase, (10) Proteínas de ligação de DNA de fita simples, (11) Topoisomerase

estrutura de RNA

Ácido ribonucleico(RNA) é uma das três principais macromoléculas (as outras duas são DNA e proteínas) que são encontradas nas células de todos os organismos vivos.

Assim como o DNA, o RNA é formado por uma longa cadeia na qual cada elo é chamado de nucleotídeo. Cada nucleotídeo é formado por uma base nitrogenada, um açúcar ribose e um grupo fosfato. No entanto, ao contrário do DNA, o RNA geralmente tem uma fita em vez de duas. A pentose no RNA é representada pela ribose, não pela desoxirribose (a ribose tem um grupo hidroxila no segundo átomo de carboidrato). Finalmente, o DNA difere do RNA na composição das bases nitrogenadas: em vez de timina ( T) uracil está presente no RNA ( você) , que também é complementar à adenina.

A sequência de nucleotídeos permite que o RNA codifique a informação genética. Tudo organismos celulares usar RNA (mRNA) para programar a síntese de proteínas.

Os RNAs celulares são formados em um processo chamado transcrição , ou seja, a síntese de RNA em um molde de DNA, realizada por enzimas especiais - RNA polimerases.

Os RNAs mensageiros (mRNAs) então participam de um processo chamado transmissão, Essa. síntese de proteínas no molde de mRNA com a participação de ribossomos. Outros RNAs sofrem modificações químicas após a transcrição e após a formação de estruturas terciárias executam funções dependendo do tipo de RNA.

Arroz. 10. A diferença entre DNA e RNA quanto à base nitrogenada: em vez de timina (T), o RNA contém uracila (U), que também é complementar à adenina.

TRANSCRIÇÃO

Este é o processo de síntese de RNA em um molde de DNA. O DNA se desenrola em um dos locais. Uma das cadeias contém informações que precisam ser copiadas na molécula de RNA - essa cadeia é chamada de codificação. A segunda fita de DNA, que é complementar à fita codificadora, é chamada de fita molde. No processo de transcrição na cadeia molde na direção 3'-5' (ao longo da cadeia de DNA), é sintetizada uma cadeia de RNA complementar a ela. Assim, uma cópia de RNA da fita de codificação é criada.

Arroz. 11. Representação esquemática da transcrição

Por exemplo, se nos for dada a sequência da fita de codificação

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

então, de acordo com a regra da complementaridade, a cadeia de matrizes carregará a sequência

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

e o RNA sintetizado a partir dele é a sequência

TRANSMISSÃO

Considere o mecanismo síntese proteíca na matriz de RNA, bem como o código genético e suas propriedades. Além disso, para maior clareza, no link abaixo, recomendamos assistir a um pequeno vídeo sobre os processos de transcrição e tradução que ocorrem em uma célula viva:

Arroz. 12. Processo de síntese de proteínas: códigos de DNA para RNA, códigos de RNA para proteínas

CÓDIGO GENÉTICO

Código genético - um método de codificação da sequência de aminoácidos de proteínas usando uma sequência de nucleotídeos. Cada aminoácido é codificado por uma sequência de três nucleotídeos - um códon ou um tripleto.

Código genético comum à maioria dos pró e eucariotos. A tabela lista todos os 64 códons e lista os aminoácidos correspondentes. A ordem de base é da extremidade de 5" a 3" do mRNA.

Tabela 1. Código genético padrão

1º
a base

não

2ª base

3º
a base

não

você

C

UMA

G

você

U U U

(Phe/F)

U C U

(Ser/S)

U A U

(Tyr/Y)

U G U

(Cis/C)

você

U U C

U C C

U A C

U G C

C

U U A

(Leu/L)

U C A

U A A

Parar códon**

U G A

Parar códon**

UMA

U U G

U C G

U A G

Parar códon**

U G G

(Trp/W)

G

C

C U U

C C U

(Suporte)

C A U

(Ele/H)

C G U

(Arg/R)

você

C U C

C C C

C A C

C G C

C

C U A

C C A

C A A

(Gn/Q)

CGA

UMA

C U G

C C G

C A G

C G G

G

UMA

A U U

(Ile/I)

A C U

(Thr/T)

A A U

(Asn/N)

A G U

(Ser/S)

você

A U C

A C C

A A C

A G C

C

A U A

A C A

A A A

(Lis/K)

A G A

UMA

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

(Gli/G)

você

G U C

G C C

G A C

G G C

C

GUA

G C A

G A A

(Cola)

G G A

UMA

GU G

G C G

G A G

G G G

G

Entre os trigêmeos, existem 4 sequências especiais que atuam como "sinais de pontuação":

  • *Tríplice AGO, também codificando a metionina, é chamado códon de início. Este códon inicia a síntese de uma molécula de proteína. Assim, durante a síntese proteica, o primeiro aminoácido da sequência será sempre a metionina.
  • **Trigêmeos Emirados Árabes Unidos, UAG e UGA chamado parar códons e não codifique nenhum aminoácido. Nessas sequências, a síntese de proteínas é interrompida.

Propriedades do código genético

1. Triplicidade. Cada aminoácido é codificado por uma sequência de três nucleotídeos - um tripleto ou códon.

2. Continuidade. Não há nucleotídeos adicionais entre os trigêmeos, a informação é lida continuamente.

3. Não sobreposição. Um nucleotídeo não pode fazer parte de dois trigêmeos ao mesmo tempo.

4. Singularidade. Um códon pode codificar apenas um aminoácido.

5. Degeneração. Um aminoácido pode ser codificado por vários códons diferentes.

6. Versatilidade. O código genético é o mesmo para todos os organismos vivos.

Exemplo. Nos é dada a sequência da fita de codificação:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

A cadeia de matrizes terá a sequência:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Agora nós “sintetizamos” o RNA informativo desta cadeia:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

A síntese de proteínas vai na direção 5' → 3', portanto, precisamos inverter a sequência para "ler" o código genético:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Agora encontre o códon de início AUG:

5’- UA AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Divida a sequência em trigêmeos:

soa assim: a informação do DNA é transferida para o RNA (transcrição), do RNA para a proteína (tradução). O DNA também pode ser duplicado por replicação, e um processo também é possível Transcrição reversa, quando o DNA é sintetizado a partir do molde de RNA, mas tal processo é principalmente característico de vírus.


Arroz. 13. Dogma central da biologia molecular

GENOM: GENES E CROMOSSOMOS

(conceitos gerais)

Genoma - a totalidade de todos os genes de um organismo; seu conjunto completo de cromossomos.

O termo "genoma" foi proposto por G. Winkler em 1920 para descrever a totalidade de genes contidos no conjunto haplóide de cromossomos de organismos de um espécies. O significado original deste termo indicava que o conceito de genoma, em contraste com o genótipo, é característica genética a espécie como um todo, não o indivíduo. Com desenvolvimento genética molecular o significado do termo mudou. Sabe-se que o DNA, que é o portador da informação genética na maioria dos organismos e, portanto, constitui a base do genoma, inclui não apenas genes em sentido moderno esta palavra. O máximo de O DNA das células eucarióticas é representado por sequências de nucleotídeos não codificantes (“redundantes”) que não contêm informações sobre proteínas e ácidos nucleicos. Assim, a parte principal do genoma de qualquer organismo é todo o DNA de seu conjunto haploide de cromossomos.

Os genes são segmentos de moléculas de DNA que codificam polipeptídeos e moléculas de RNA.

Atras do século passado nossa compreensão dos genes mudou drasticamente. Anteriormente, um genoma era uma região de um cromossomo que codifica ou determina uma característica ou fenotípico propriedade (visível), como a cor dos olhos.

Em 1940, George Beadle e Edward Tatham propuseram definição molecular gene. Cientistas processaram esporos de fungos Neurospora crassa raios X e outros agentes que causam alterações na sequência de DNA ( mutações), e encontraram cepas mutantes do fungo que perderam algumas enzimas específicas, o que em alguns casos levou a uma violação de todo o via metabólica. Beadle e Tatham chegaram à conclusão de que um gene é uma seção do material genético que define ou codifica uma única enzima. É assim que a hipótese "um gene, uma enzima". Este conceito foi posteriormente estendido para a definição "um gene - um polipeptídeo", uma vez que muitos genes codificam proteínas que não são enzimas, e um polipeptídeo pode ser uma subunidade de um complexo proteico complexo.

Na fig. 14 mostra um diagrama de como trigêmeos de DNA determinam um polipeptídeo, a sequência de aminoácidos de uma proteína, mediada por mRNA. Uma das fitas de DNA desempenha o papel de molde para a síntese de mRNA, cujos trigêmeos de nucleotídeos (códons) são complementares aos trigêmeos de DNA. Em algumas bactérias e muitos eucariotos, as sequências de codificação são interrompidas por regiões não codificantes (chamadas de íntrons).

Contemporâneo definição bioquímica gene ainda mais especificamente. Os genes são todas as seções de DNA que codificam a sequência primária de produtos finais, que incluem polipeptídeos ou RNA que possuem uma função estrutural ou catalítica.

Junto com os genes, o DNA também contém outras sequências que atuam exclusivamente função reguladora. Sequências regulatórias pode marcar o início ou o fim dos genes, afetar a transcrição ou indicar o local de início da replicação ou recombinação. Alguns genes podem ser expressos de diferentes maneiras, com o mesmo pedaço de DNA servindo de molde para a formação de diferentes produtos.

Podemos calcular aproximadamente tamanho mínimo do gene codificando a proteína intermediária. Cada aminoácido em uma cadeia polipeptídica é codificado por uma sequência de três nucleotídeos; as sequências desses trigêmeos (códons) correspondem à cadeia de aminoácidos no polipeptídeo codificado por determinado gene. Uma cadeia polipeptídica de 350 resíduos de aminoácidos comprimento médio) corresponde a uma sequência de 1050 b.p. ( pb). No entanto, muitos genes eucarióticos e alguns genes procarióticos são interrompidos por segmentos de DNA que não carregam informações sobre a proteína e, portanto, são muito mais longos do que um simples cálculo mostra.

Quantos genes existem em um cromossomo?


Arroz. 15. Visão dos cromossomos em células procarióticas (esquerda) e eucarióticas. As histonas são uma ampla classe de proteínas nucleares que desempenham duas funções principais: estão envolvidas no empacotamento de fitas de DNA no núcleo e na regulação epigenética de processos nucleares, como transcrição, replicação e reparo.

Como você sabe, as células bacterianas têm um cromossomo na forma de uma fita de DNA, empacotada em uma estrutura compacta - um nucleoide. cromossomo procariótico Escherichia coli, cujo genoma está completamente decodificado, é uma molécula de DNA circular (na verdade, não é círculo direito, mas sim um loop sem começo nem fim), consistindo em 4.639.675 b.p. Essa sequência contém aproximadamente 4.300 genes de proteínas e outros 157 genes para moléculas de RNA estáveis. NO genoma humano aproximadamente 3,1 bilhões de pares de bases correspondentes a quase 29.000 genes localizados em 24 cromossomos diferentes.

Procariotos (bactérias).

Bactéria E. coli tem uma molécula de DNA circular de fita dupla. Consiste em 4.639.675 b.p. e atinge um comprimento de aproximadamente 1,7 mm, que excede o comprimento da própria célula E. coli cerca de 850 vezes. Além do grande cromossomo circular como parte do nucleoide, muitas bactérias contêm uma ou mais pequenas moléculas circulares de DNA livremente localizadas no citosol. Esses elementos extracromossômicos são chamados de plasmídeos(Fig. 16).

A maioria dos plasmídeos consiste em apenas alguns milhares de pares de bases, alguns contêm mais de 10.000 pb. Eles carregam informações genéticas e se replicam com a formação de plasmídeos-filhos que se enquadram em células filhas durante a divisão da célula-mãe. Os plasmídeos são encontrados não apenas em bactérias, mas também em leveduras e outros fungos. Em muitos casos, os plasmídeos não oferecem vantagem para as células hospedeiras e seu único trabalho é se reproduzir de forma independente. No entanto, alguns plasmídeos carregam genes úteis para o hospedeiro. Por exemplo, genes contidos em plasmídeos podem conferir resistência a agentes antibacterianos em células bacterianas. Plasmídeos carregando o gene As β-lactamases conferem resistência a antibióticos β-lactâmicos, como penicilina e amoxicilina. Os plasmídeos podem passar de células resistentes a antibióticos para outras células da mesma ou de espécies bacterianas diferentes, fazendo com que essas células também se tornem resistentes. O uso intensivo de antibióticos é um poderoso fator seletivo que promove a disseminação de plasmídeos que codificam resistência a antibióticos (assim como transposons que codificam genes semelhantes) entre bactéria patogênica, e leva ao surgimento de cepas bacterianas com resistência a vários antibióticos. Os médicos estão começando a entender os perigos do uso generalizado de antibióticos e os prescrevem apenas quando absolutamente necessário. Por razões semelhantes, o uso generalizado de antibióticos para o tratamento de animais de fazenda é limitado.

Veja também: Ravin N.V., Shestakov S.V. Genoma de procariontes // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. No. 4/2. págs. 972-984.

Eucariotos.

Tabela 2. DNA, genes e cromossomos de alguns organismos

ADN partilhado,

b.s.

Número de cromossomos*

Número aproximado de genes

Escherichia coli(bactéria)

4 639 675

4 435

Saccharomyces cerevisiae(fermento)

12 080 000

16**

5 860

Caenorhabditis elegans(nematóide)

90 269 800

12***

23 000

Arabidopsis thaliana(plantar)

119 186 200

33 000

Drosophila melanogaster(mosca da fruta)

120 367 260

20 000

Oryza sativa(arroz)

480 000 000

57 000

Músculo Muscular(mouse)

2 634 266 500

27 000

Homo sapiens(Humano)

3 070 128 600

29 000

Observação. As informações são constantemente atualizadas; Para obter informações mais atualizadas, consulte os sites de projetos genômicos individuais.

* Para todos os eucariotos, exceto levedura, o conjunto diplóide de cromossomos é fornecido. diplóide kit cromossomos (do grego diploos - double e eidos - view) - um conjunto duplo de cromossomos (2n), cada um com um homólogo.
**Conjunto haplóide. As cepas selvagens de levedura geralmente têm oito (octaplóides) ou mais conjuntos desses cromossomos.
***Para mulheres com dois cromossomos X. Os machos têm um cromossomo X, mas não Y, ou seja, apenas 11 cromossomos.

Uma célula de levedura, um dos menores eucariotos, tem 2,6 vezes mais DNA do que uma célula E. coli(Mesa 2). células da mosca da fruta Drosophila, objeto clássico pesquisa genética, contêm 35 vezes mais DNA, e as células humanas contêm cerca de 700 vezes mais DNA do que as células E. coli. Muitas plantas e anfíbios contêm ainda mais DNA. O material genético das células eucarióticas é organizado na forma de cromossomos. Conjunto diplóide de cromossomos (2 n) depende do tipo de organismo (Tabela 2).

Por exemplo, em uma célula somática humana existem 46 cromossomos ( arroz. 17). Cada cromossomo em uma célula eucariótica, como mostrado na Fig. 17, uma, contém uma molécula de DNA de fita dupla muito grande. Vinte e quatro cromossomos humanos (22 cromossomos pareados e dois cromossomos sexuais X e Y) diferem em comprimento em mais de 25 vezes. Cada cromossomo eucariótico contém um conjunto específico de genes.


Arroz. 17. cromossomos eucarióticos.uma- um par de cromátides irmãs conectadas e condensadas do cromossomo humano. Nesta forma, os cromossomos eucarióticos permanecem após a replicação e em metáfase durante a mitose. b- um conjunto completo de cromossomos de um leucócito de um dos autores do livro. Cada célula somática humana normal contém 46 cromossomos.

Se você conectar as moléculas de DNA do genoma humano (22 cromossomos e cromossomos X e Y ou X e X) entre si, obterá uma sequência de cerca de um metro de comprimento. Nota: Em todos os mamíferos e outros organismos heterogaméticos masculinos, as fêmeas têm dois cromossomos X (XX) e os machos têm um cromossomo X e um cromossomo Y (XY).

A maioria das células humanas, então o comprimento total do DNA dessas células é de cerca de 2m. Um humano adulto tem cerca de 10 14 células, então o comprimento total de todas as moléculas de DNA é de 2 × 10 11 km. Para comparação, a circunferência da Terra é de 4 × 10 4 km e a distância da Terra ao Sol é de 1,5 × 10 8 km. É assim que o DNA incrivelmente compacto está em nossas células!

Nas células eucarióticas, existem outras organelas contendo DNA - são as mitocôndrias e os cloroplastos. Muitas hipóteses foram levantadas sobre a origem do DNA mitocondrial e cloroplasto. O ponto de vista geralmente aceito hoje é que eles são os rudimentos dos cromossomos de bactérias antigas que penetraram no citoplasma das células hospedeiras e se tornaram os precursores dessas organelas. DNA mitocondrial codifica para tRNA e rRNA mitocondrial, bem como várias proteínas mitocondriais. Mais de 95% das proteínas mitocondriais são codificadas pelo DNA nuclear.

ESTRUTURA DOS GENES

Considere a estrutura do gene em procariontes e eucariontes, suas semelhanças e diferenças. Apesar de um gene ser uma seção do DNA que codifica apenas uma proteína ou RNA, além da parte de codificação direta, também inclui a parte reguladora e outras elementos estruturais tendo estrutura diferente em procariontes e eucariontes.

sequência de codificação- a principal unidade estrutural e funcional do gene, é nela que se encontram os tripletos de nucleotídeos que codificamsequência de aminoácidos. Começa com um códon de início e termina com um códon de parada.

Antes e depois da sequência de codificação são sequências 5' e 3' não traduzidas. Eles desempenham funções reguladoras e auxiliares, por exemplo, garantem o pouso do ribossomo no mRNA.

As sequências não traduzidas e codificantes compõem a unidade de transcrição - a região do DNA transcrita, ou seja, a região do DNA a partir da qual o mRNA é sintetizado.

o Exterminador do Futuro Uma região não transcrita de DNA no final de um gene onde a síntese de RNA é interrompida.

No início do gene é área regulatória, que inclui promotor e operador.

promotor- a sequência com a qual a polimerase se liga durante a iniciação da transcrição. Operador- esta é a área à qual as proteínas especiais podem se ligar - repressores, o que pode reduzir a atividade de síntese de RNA a partir desse gene - em outras palavras, reduzi-lo expressão.

A estrutura dos genes em procariontes

O plano geral para a estrutura dos genes em procariontes e eucariotos não difere - ambos contêm uma região reguladora com um promotor e operador, uma unidade de transcrição com sequências codificantes e não traduzidas e um terminador. No entanto, a organização dos genes em procariontes e eucariontes é diferente.

Arroz. 18. Esquema da estrutura do gene em procariontes (bactérias) -a imagem é ampliada

No início e no final do operon, existem regiões reguladoras comuns para vários genes estruturais. A partir da região transcrita do operon, é lida uma molécula de mRNA, que contém várias sequências de codificação, cada uma com seu próprio códon de início e término. De cada uma dessas áreasuma proteína é sintetizada. Por isso, Várias moléculas de proteína são sintetizadas a partir de uma molécula de i-RNA.

Os procariontes combinam vários genes em um único unidade funcional -operão. O trabalho do operon pode ser regulado por outros genes, que podem ser visivelmente removidos do próprio operon - reguladores. A proteína traduzida desse gene é chamada repressor. Ele se liga ao operador do operon, regulando a expressão de todos os genes contidos nele de uma só vez.

Os procariontes também são caracterizados pelo fenômeno conjugações de transcrição e tradução.


Arroz. 19 O fenômeno da conjugação de transcrição e tradução em procariontes - a imagem é ampliada

Em uma reação catalisada pela transcriptase reversa.

O cDNA é frequentemente usado para clonar genes eucarióticos em procariontes. O DNA complementar também é produzido por retrovírus (HIV-1, HIV-2, Vírus da Imunodeficiência Símia) e então integrado ao DNA do hospedeiro para formar um provírus.

Muitas vezes, os genes eucarióticos podem ser expressos em células procarióticas. Na maioria caso simples, o método envolve inserir DNA eucariótico no genoma procariótico, depois transcrever o DNA em mRNA e depois traduzir o mRNA em proteínas. As células procarióticas não possuem enzimas de corte de íntrons e, portanto, os íntrons devem ser cortados do DNA eucariótico antes da inserção no genoma procariótico. O DNA complementar ao mRNA maduro é então chamado de DNA complementar - cDNA(cDNA). Para a expressão bem-sucedida de proteínas codificadas em cDNA eucariótico em procariontes, também são necessários elementos reguladores de genes procarióticos (por exemplo, promotores).

Um dos métodos para obtenção do gene necessário (molécula de DNA), que será submetido à replicação (clonagem) com a liberação de um número significativo de réplicas, é a construção de DNA complementar (cDNA) no mRNA. Este método requer o uso de transcriptase reversa, uma enzima que está presente em alguns vírus contendo RNA e fornece a síntese de DNA em um molde de RNA.

O método é amplamente utilizado para obter cDNA e inclui o isolamento de mRNA a partir de mRNA tecidual total, que codifica a tradução de uma proteína específica (por exemplo, interferon, insulina) com posterior síntese neste mRNA como molde do cDNA necessário usando transcriptase.

O gene obtido pelo procedimento acima (cDNA) deve ser introduzido na célula bacteriana de forma que se integre ao seu genoma. Para isso, formam DNA recombinante, que consiste em cDNA e uma molécula especial de DNA que rege como condutor, ou vetor, capaz de penetrar o receptor na célula. Vírus ou plasmídeos são usados ​​como vetores para cDNA. Os plasmídeos são pequenas moléculas circulares de DNA que estão separadas do nucleoide. célula bacteriana, contêm vários genes importantes para a função de toda a célula (por exemplo, genes de resistência a antibióticos e podem se replicar independentemente do genoma principal (DNA) da célula. Biologicamente importante e praticamente útil para Engenharia genética As propriedades dos plasmídeos são sua capacidade de transferir de uma célula para outra pelo mecanismo de transformação ou conjugação, bem como a capacidade de serem incluídos no cromossomo bacteriano e replicar junto com ele.

Watson e Crick mostraram que a formação de ligações de hidrogênio e uma dupla hélice regular só é possível quando a base purina adenina (A) maior em uma cadeia tem uma base pirimidina menor timina (T) como sua parceira na outra cadeia, e guanina (G) associada à citosina (C). Esse padrão pode ser representado da seguinte forma: Correspondência A "T e G" C é chamado de regra de complementaridade, e as próprias correntes complementar. De acordo com essa regra, o conteúdo de adenina no DNA é sempre igual ao conteúdo de timina, e a quantidade de guanina é sempre igual à quantidade de citosina. Deve-se notar que duas fitas de DNA, diferindo quimicamente, carregam a mesma informação, pois devido à complementaridade, uma fita define a outra de forma única.

A estrutura do RNA é menos ordenada. Geralmente é uma molécula de fita simples, embora o RNA de alguns vírus consista em duas fitas. Mas mesmo esse RNA é mais flexível que o DNA. Algumas seções na molécula de RNA são mutuamente complementares e, quando a cadeia é dobrada, formam pares, formando estruturas de fita dupla (ganchos de cabelo). Em primeiro lugar, isso se aplica aos RNAs de transferência (tRNAs). Algumas bases no tRNA sofrem modificação após a síntese da molécula. Por exemplo, às vezes os grupos metil estão ligados a eles.

 FUNÇÃO DOS ÁCIDOS NUCLÉICOS Uma das principais funções dos ácidos nucleicos é a determinação da síntese de proteínas. As informações sobre a estrutura das proteínas, codificadas na sequência nucleotídica do DNA, devem ser transmitidas de uma geração para outra e, portanto, sua cópia inconfundível é necessária, ou seja, síntese da mesma molécula de DNA (replicação).Replicação e transcrição. Do ponto de vista químico, a síntese de um ácido nucleico é uma polimerização, ou seja, conexão sequencial de blocos de construção. Esses blocos são trifosfatos de nucleosídeos; A reação pode ser representada da seguinte forma:
A energia necessária para a síntese é liberada quando o pirofosfato é clivado, e enzimas especiais, as DNA polimerases, catalisam a reação.

Como resultado desse processo sintético, obteríamos um polímero com uma sequência de bases aleatória. No entanto, a maioria das polimerases só funciona na presença de um ácido nucleico pré-existente, um molde que dita qual nucleotídeo será ligado ao final da cadeia. Este nucleotídeo deve ser complementar ao nucleotídeo molde correspondente, de modo que a nova fita seja complementar à original. Usando então a fita complementar como matriz, obtemos cópia exata original.

O DNA consiste em duas fitas mutuamente complementares. Durante a replicação, eles divergem e cada um deles serve como molde para a síntese de uma nova fita:

Isso forma duas novas duplas hélices com a mesma sequência de bases do DNA original. Às vezes, o processo de replicação "falha" e ocorrem mutações (Veja também HEREDITARIEDADE). Como resultado da transcrição do DNA, os RNAs celulares (mRNA, rRNA e tRNA) são formados:Eles são complementares a uma das fitas de DNA e são uma cópia da outra fita, exceto que o uracila toma o lugar da timina. Desta forma, muitas cópias de RNA de uma das fitas de DNA podem ser obtidas.Em uma célula normal, a informação é transmitida apenas na direção do DNA.® DNA e DNA ® RNA. No entanto, outros processos são possíveis em células infectadas por vírus: RNA® RNA e RNA ® ADN. O material genético de muitos vírus é representado por uma molécula de RNA, geralmente de fita simples. Tendo penetrado na célula hospedeira, esse RNA se replica para formar uma molécula complementar, na qual, por sua vez, muitas cópias do RNA viral original são sintetizadas:O RNA viral pode ser transcrito por uma enzima- transcriptase reversa- no DNA, que às vezes é incluído no DNA cromossômico da célula hospedeira. Agora, esse DNA carrega genes virais e, após a transcrição, o RNA viral pode aparecer na célula. Assim, após muito tempo, durante o qual nenhum vírus é encontrado na célula, ele reaparecerá nela sem reinfecção. Vírus cujo material genético é incorporado ao cromossomo da célula hospedeira são frequentemente a causa do câncer.

Após a descoberta do princípio da organização molecular de uma substância como o DNA em 1953, começou a desenvolver biologia molecular. Além disso, no processo de pesquisa, os cientistas descobriram como o DNA é recombinado, sua composição e como nosso genoma humano está organizado.

Todos os dias em nivel molecular estão acontecendo os processos mais complexos. Como a molécula de DNA está organizada, em que consiste? Qual o papel das moléculas de DNA em uma célula? Vamos falar em detalhes sobre todos os processos que ocorrem dentro da cadeia dupla.

O que é informação hereditária?

Então como isso tudo começou? Em 1868 encontrado nos núcleos de bactérias. E em 1928, N. Koltsov apresentou a teoria de que é no DNA que toda a informação genética sobre um organismo vivo é criptografada. Então J. Watson e F. Crick encontraram um modelo para a agora conhecida hélice de DNA em 1953, pela qual receberam merecidamente reconhecimento e um prêmio - o Prêmio Nobel.

O que é DNA afinal? Esta substância consiste em 2 fios combinados, mais precisamente espirais. Uma seção dessa cadeia com certas informações é chamada de gene.

O DNA armazena todas as informações sobre que tipo de proteínas serão formadas e em que ordem. A macromolécula de DNA é portador de material informações incrivelmente volumosas, que são registradas em uma sequência estrita de blocos de construção individuais - nucleotídeos. Existem 4 nucleotídeos no total, eles se complementam quimicamente e geometricamente. Esse princípio de complementação, ou complementaridade, na ciência será descrito mais adiante. Esta regra joga papel fundamental na codificação e decodificação da informação genética.

Como a fita de DNA é incrivelmente longa, não há repetições nessa sequência. Cada ser vivo tem sua própria fita de DNA única.

Funções do ADN

As funções incluem o armazenamento de informações hereditárias e sua transmissão aos descendentes. Sem essa função, o genoma de uma espécie não poderia ser preservado e desenvolvido ao longo de milênios. Organismos que sofreram grandes mutações genéticas são mais propensos a não sobreviver ou perder sua capacidade de produzir descendentes. Portanto, há uma proteção natural contra a degeneração da espécie.

Outro essencial função importante— implementação das informações armazenadas. A célula não pode produzir nenhuma proteína vital sem as instruções que estão armazenadas na fita dupla.

Composição de ácidos nucleicos

Agora já se sabe com segurança em que consistem os próprios nucleotídeos, os blocos de construção do DNA. Eles incluem 3 substâncias:

  • Ácido ortofosfórico.
  • Base nitrogenada. Bases pirimídicas - que possuem apenas um anel. Estes incluem timina e citosina. Bases purinas contendo 2 anéis. Estes são guanina e adenina.
  • Sacarose. O DNA contém desoxirribose, o RNA contém ribose.

O número de nucleotídeos é sempre igual ao número de bases nitrogenadas. Em laboratórios especiais, o nucleotídeo é clivado e isolado dele Base nitrogenada. Então eles estudam as propriedades individuais desses nucleotídeos e possíveis mutações neles.

Níveis de organização da informação hereditária

Existem 3 níveis de organização: genético, cromossômico e genômico. Todas as informações necessárias para a síntese de uma nova proteína estão contidas em uma pequena seção da cadeia - o gene. Ou seja, o gene é considerado o nível mais baixo e simples de codificação da informação.

Os genes, por sua vez, são montados em cromossomos. Graças a essa organização do portador de material hereditário, grupos de características se alternam de acordo com certas leis e são transmitidos de uma geração para outra. Deve-se notar que existem incrivelmente muitos genes no corpo, mas a informação não é perdida, mesmo quando é recombinada muitas vezes.

Existem vários tipos de genes:

  • em propósito funcional Distinguem-se 2 tipos: sequências estruturais e reguladoras;
  • de acordo com a influência nos processos que ocorrem na célula, eles distinguem: supervital, letal, condicionalmente genes letais, bem como genes mutadores e antimutadores.

Os genes estão localizados ao longo do cromossomo ordem linear. Nos cromossomos, a informação não é focada aleatoriamente, há uma certa ordem. Existe até um mapa mostrando posições, ou loci gênicos. Por exemplo, sabe-se que os dados sobre a cor dos olhos de uma criança são criptografados no cromossomo número 18.

O que é um genoma? Este é o nome de todo o conjunto de sequências de nucleotídeos na célula do corpo. O genoma caracteriza visão inteira, não um único indivíduo.

Qual é o código genético humano?

O fato é que todo o enorme potencial desenvolvimento Humano estabelecido no momento da concepção. Todas as informações hereditárias necessárias para o desenvolvimento do zigoto e o crescimento da criança após o nascimento são criptografadas nos genes. Seções de DNA são os portadores mais básicos de informações hereditárias.

Os seres humanos têm 46 cromossomos, ou 22 pares somáticos mais um cromossomo determinante do sexo de cada pai. Este conjunto diplóide de cromossomos codifica toda a aparência física de uma pessoa, suas habilidades mentais e físicas e predisposição a doenças. Os cromossomos somáticos são aparentemente indistinguíveis, mas carregam informações diferentes, pois um deles é do pai, o outro é da mãe.

O código masculino difere do código feminino no último par de cromossomos - XY. O conjunto diplóide feminino é o último par, XX. Os machos recebem um cromossomo X de sua mãe biológica e depois é passado para suas filhas. O cromossomo Y sexual é passado para os filhos.

Os cromossomos humanos variam muito em tamanho. Por exemplo, o menor par de cromossomos é #17. E o maior par é 1 e 3.

O diâmetro da dupla hélice em humanos é de apenas 2 nm. O DNA é tão enrolado que cabe no pequeno núcleo da célula, embora tenha até 2 metros de comprimento se desenrolado. O comprimento da hélice é de centenas de milhões de nucleotídeos.

Como o código genético é transmitido?

Então, que papel as moléculas de DNA desempenham em uma célula durante a divisão? Os genes - portadores de informações hereditárias - estão dentro de cada célula do corpo. Para passar seu código para um organismo filho, muitas criaturas dividem seu DNA em 2 hélices idênticas. Isso é chamado de replicação. No processo de replicação, o DNA se desenrola e "máquinas" especiais completam cada cadeia. Após a bifurcação da hélice genética, o núcleo e todas as organelas começam a se dividir e, em seguida, toda a célula.

Mas uma pessoa tem um processo diferente de transferência de genes - sexual. Os sinais do pai e da mãe se misturam, o novo código genético contém informações de ambos os pais.

O armazenamento e a transmissão de informações hereditárias são possíveis devido a organização complexa filamentos de DNA. Afinal, como dissemos, a estrutura das proteínas é criptografada em genes. Uma vez criado no momento da concepção, esse código se copiará ao longo da vida. O cariótipo (conjunto pessoal de cromossomos) não muda durante a renovação das células do órgão. A transmissão de informações é realizada com a ajuda de gametas sexuais - masculino e feminino.

Apenas vírus contendo uma única fita de RNA são incapazes de transmitir suas informações para seus descendentes. Portanto, para se reproduzir, eles precisam de células humanas ou animais.

Implementação de informações hereditárias

No núcleo de uma célula, há constantes processos importantes. Todas as informações registradas nos cromossomos são usadas para construir proteínas a partir de aminoácidos. Mas a fita de DNA nunca sai do núcleo, então é necessária a ajuda de outra pessoa aqui. conexão importante= ARN. Apenas o RNA é capaz de penetrar na membrana nuclear e interagir com a cadeia de DNA.

Através da interação do DNA e 3 tipos de RNA, todas as informações codificadas são realizadas. Em que nível está a implementação da informação hereditária? Todas as interações ocorrem no nível de nucleotídeos. O RNA mensageiro copia um segmento da cadeia de DNA e traz essa cópia para o ribossomo. Aqui começa a síntese dos nucleotídeos de uma nova molécula.

Para que o mRNA copie a parte necessária da cadeia, a hélice se desdobra e, após a conclusão do processo de recodificação, é restaurada novamente. Além disso, esse processo pode ocorrer simultaneamente em 2 lados de 1 cromossomo.

O princípio da complementaridade

Eles consistem em 4 nucleotídeos - estes são adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T). Eles são conectados por ligações de hidrogênio de acordo com a regra da complementaridade. Os trabalhos de E. Chargaff ajudaram a estabelecer essa regra, pois o cientista percebeu alguns padrões no comportamento dessas substâncias. E. Chargaff descobriu que a razão molar de adenina para timina é igual a um. E da mesma forma, a proporção de guanina para citosina é sempre igual a um.

Com base em seu trabalho, os geneticistas formaram uma regra para a interação de nucleotídeos. A regra da complementaridade afirma que a adenina combina apenas com a timina e a guanina com a citosina. Durante a decodificação da hélice e a síntese de uma nova proteína no ribossomo, essa regra de alternância ajuda a encontrar rapidamente o aminoácido necessário que está ligado ao RNA de transferência.

RNA e seus tipos

O que é informação hereditária? nucleotídeos na fita dupla do DNA. O que é ARN? Qual é o trabalho dela? O RNA, ou ácido ribonucleico, ajuda a extrair informações do DNA, decodificá-las e, com base no princípio da complementaridade, criar exigido pelas células proteínas.

No total, 3 tipos de RNA são isolados. Cada um deles desempenha estritamente sua função.

  1. Informativo (mRNA), ou também é chamado de matriz. Vai direto para o centro da célula, para o núcleo. Ele encontra em um dos cromossomos o material genético necessário para a construção de uma proteína e copia um dos lados da dupla cadeia. A cópia ocorre novamente de acordo com o princípio da complementaridade.
  2. Transporte- Esse pequena molécula, que possui decodificadores de nucleotídeos de um lado e aminoácidos correspondentes ao código principal do outro lado. A tarefa do tRNA é entregá-lo à "oficina", ou seja, ao ribossomo, onde sintetiza o aminoácido necessário.
  3. rRNA é ribossomal. Ele controla a quantidade de proteína que é produzida. Consiste em 2 partes - aminoácido e sítio peptídico.

A única diferença na decodificação é que o RNA não possui timina. Em vez de timina, uracil está presente aqui. Mas então, no processo de síntese de proteínas, com tRNA, ele ainda estabelece corretamente todos os aminoácidos. Se houver alguma falha na decodificação da informação, ocorre uma mutação.

Reparação de uma molécula de DNA danificada

O processo de reparação de uma fita dupla danificada é chamado de reparação. Durante o processo de reparo, os genes danificados são removidos.

Em seguida, a sequência de elementos necessária é reproduzida exatamente e volta ao mesmo lugar na cadeia de onde foi extraída. Tudo isso acontece graças a especial produtos químicos- enzimas.

Por que ocorrem mutações?

Por que alguns genes começam a sofrer mutações e deixam de cumprir sua função - o armazenamento de informações hereditárias vitais? Isto é devido a um erro de decodificação. Por exemplo, se a adenina for acidentalmente substituída por timina.

Há também mutações cromossômicas e genômicas. Mutações cromossômicas ocorrem se seções de informações hereditárias caem, duplicam ou são geralmente transferidas e integradas em outro cromossomo.

As mutações genômicas são as mais graves. Sua causa é uma mudança no número de cromossomos. Ou seja, quando em vez de um par - um conjunto diplóide, um conjunto triplóide está presente no cariótipo.

A maioria exemplo famoso uma mutação triploide é a síndrome de Down, na qual o conjunto pessoal de cromossomos é 47. Nessas crianças, 3 cromossomos são formados no lugar do 21º par.

Há também uma mutação como poliploidia. Mas a poliploidia é encontrada apenas em plantas.

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