Descoberta do papel genético do DNA

O DNA foi descoberto por Johann Friedrich Miescher em 1869. Dos restos de células contidos no pus, ele isolou uma substância, que inclui nitrogênio e fósforo. Pela primeira vez, um ácido nucléico livre de proteínas foi obtido por R. Altman em 1889, que introduziu esse termo na bioquímica. Não foi até meados da década de 1930 que se provou que o DNA e o RNA estão contidos em todas as células vivas. A. N. Belozersky, que foi o primeiro a isolar o DNA das plantas, desempenhou um papel primordial no estabelecimento dessa posição fundamental. Gradualmente, foi provado que é o DNA, e não as proteínas, como se pensava anteriormente, que é o portador da informação genética. O. Everin, Colin McLeod e McLean McCarthy (1944) conseguiram mostrar que o DNA isolado de pneumococos é responsável pela chamada transformação (a aquisição de propriedades patogênicas por uma cultura inofensiva como resultado da adição de bactérias patogênicas mortas a ela). Um experimento de cientistas americanos (o experimento Hershey-Chase, 1952) com proteínas marcadas radioativamente e DNA de bacteriófagos mostrou que apenas o ácido nucleico do fago é transmitido para a célula infectada, e a nova geração do fago contém as mesmas proteínas e ácido nucléico como o fago original Até a década de 1950, a estrutura exata do DNA, bem como o modo de transmissão da informação hereditária, permaneciam desconhecidos. Embora se soubesse com certeza que o DNA era composto de várias fitas de nucleotídeos, ninguém sabia exatamente quantas fitas havia e como elas estavam conectadas. A estrutura da dupla hélice do DNA foi proposta por Francis Crick e James Watson em 1953 com base em raios-X Maurice Wilkins e Rosalind Franklin, e "regras de Chargaff", segundo as quais relações estritas são observadas em cada molécula de DNA, conectando o número de bases nitrogenadas de diferentes tipos. Mais tarde, o modelo de estrutura do DNA proposto por Watson e Crick foi comprovado, e seu trabalho recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1962. Rosalind Franklin, que já havia falecido na época, não estava entre os laureados, pois o prêmio não é concedido postumamente.Em 1960, em vários laboratórios de uma só vez foi descoberta a enzima RNA polimerase, que sintetiza RNA em moldes de DNA. O código genético de aminoácidos foi completamente decifrado em 1961-1966. pelos esforços dos laboratórios de M. Nirenberg, S. Ochoa e G. Korana.

Composição química e organização estrutural da molécula de DNA.

DNA é ácido desoxirribonucleico. A molécula de DNA é o maior biopolímero, cujo monômero é um nucleotídeo. Um nucleotídeo consiste em resíduos de 3 substâncias: 1 - uma base nitrogenada; 2 - carboidratos desoxirribose; 3 - ácido fosfórico (figura - a estrutura do nucleotídeo). Os nucleotídeos envolvidos na formação da molécula de DNA diferem entre si nas bases nitrogenadas. Bases nitrogenadas: 1 - Citosina e Timina (derivados de pirimidina) e 2 - Adenina e Guanina (derivados de purina). A ligação dos nucleotídeos em uma fita de DNA ocorre através do carboidrato de um nucleotídeo e do resíduo de ácido fosfórico do vizinho (Figura - estrutura da cadeia polinucleotídica). Regra de Chargaff (1951): o número de bases purinas no DNA é sempre igual ao número de bases pirimídicas, A=T G=C.

1953 J. Watson e F. Crick - Apresentaram um modelo da estrutura da molécula de DNA (Figura - a estrutura da molécula de DNA).

Estrutura primária- a sequência de arranjo de unidades monoméricas (mononucleotídeos) em polímeros lineares. A cadeia é estabilizada por ligações 3,5-fosfodiéster. estrutura secundária- uma dupla hélice, cuja formação é determinada por ligações de hidrogênio internucleotídicas, que são formadas entre as bases incluídas nos pares canônicos A-T (2 ligações de hidrogênio) e G-C (3 ligações de hidrogênio). As cadeias são mantidas juntas por interações de empilhamento, interações eletrostáticas, interações de van der Waals. Estrutura terciáriaé a forma geral das moléculas de biopolímero. Estrutura super-helicoidal - quando uma dupla hélice fechada não forma um anel, mas uma estrutura com voltas de ordem superior (proporciona compacidade). Estrutura quaternária– empacotamento de moléculas em conjuntos polimoleculares. Para ácidos nucleicos, estes são conjuntos que incluem moléculas de proteína.

Estrutura e funções do DNA

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ADN- um polímero cujos monômeros são desoxirribonucleotídeos. Um modelo da estrutura espacial da molécula de DNA na forma de uma dupla hélice foi proposto em 1953 ᴦ. J. Watson e F. Crick (para construir este modelo eles usaram o trabalho de M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).

Molécula de DNA formado por duas cadeias de polinucleotídeos, torcidas em espiral em torno uma da outra e juntas em torno de um eixo imaginário, ᴛ.ᴇ. é uma dupla hélice (exceção - alguns vírus contendo DNA têm DNA de fita simples). O diâmetro da dupla hélice do DNA é de 2 nm, a distância entre os nucleotídeos adjacentes é de 0,34 nm e existem 10 pares de bases por volta da hélice. O comprimento da molécula pode atingir vários centímetros. Peso molecular - dezenas e centenas de milhões. O comprimento total do DNA no núcleo da célula humana é de cerca de 2 M. Nas células eucarióticas, o DNA forma complexos com proteínas e tem uma conformação espacial específica.

Monômero de DNA - nucleotídeo (desoxirribonucleotídeo)- consiste em resíduos de três substâncias: 1) uma base nitrogenada, 2) um monossacarídeo de cinco carbonos (pentose) e 3) ácido fosfórico. As bases nitrogenadas dos ácidos nucleicos pertencem às classes das pirimidinas e das purinas. Bases pirimídicas do DNA(têm um anel em sua molécula) - timina, citosina. Bases de purinas(têm dois anéis) - adenina e guanina.

O monossacarídeo do nucleotídeo de DNA é representado pela desoxirribose.

O nome do nucleotídeo é derivado do nome da base correspondente. Nucleotídeos e bases nitrogenadas são indicados por letras maiúsculas.

Uma cadeia polinucleotídica é formada como resultado de reações de condensação de nucleotídeos. Neste caso, entre o carbono 3" do resíduo desoxirribose de um nucleotídeo e o resíduo de ácido fosfórico do outro, ligação fosfoéter(pertence à categoria de ligações covalentes fortes). Uma extremidade da cadeia polinucleotídica termina com um carbono de 5 "(é chamado de extremidade 5"), a outra termina com um carbono de 3 "(3").

Contra uma cadeia de nucleotídeos há uma segunda cadeia. O arranjo dos nucleotídeos nestas duas cadeias não é aleatório, mas estritamente definido: a timina está sempre localizada contra adenina de uma cadeia na outra cadeia e a citosina está sempre contra a guanina, duas ligações de hidrogênio surgem entre adenina e timina, entre guanina e citosina - três ligações de hidrogênio. O padrão segundo o qual os nucleotídeos de diferentes fitas de DNA estão dispostos de maneira estritamente ordenada (adenina - timina, guanina - citosina) e são seletivamente conectados uns aos outros é comumente chamado de o princípio da complementaridade. Deve-se notar que J. Watson e F. Crick passaram a compreender o princípio da complementaridade após a leitura das obras de E. Chargaff. E. Chargaff, tendo estudado um grande número de amostras de tecidos e órgãos de vários organismos, descobriu que em qualquer fragmento de DNA o conteúdo de resíduos de guanina sempre corresponde exatamente ao conteúdo de citosina e adenina a timina ( ''Regra de Chargaff''), mas não soube explicar esse fato.

Do princípio da complementaridade, segue-se que a sequência nucleotídica de uma cadeia determina a sequência nucleotídica de outra.

As cadeias de DNA são antiparalelas (opostas), ᴛ.ᴇ. nucleotídeos de diferentes cadeias estão localizados em direções opostas e, portanto, oposta à extremidade 3" de uma cadeia é a extremidade 5" da outra. A molécula de DNA às vezes é comparada a uma escada em espiral. O 'railing'' desta escada é uma espinha dorsal de açúcar-fosfato (resíduos alternados de desoxirribose e ácido fosfórico); 'passos' - bases nitrogenadas complementares.

Função do DNA- armazenamento e transmissão de informações hereditárias.

A estrutura e funções do DNA - o conceito e os tipos. Classificação e características da categoria "Estrutura e funções do DNA" 2017, 2018.

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

O DNA (ácido desoxirribonucleico) é uma espécie de projeto de vida, um 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. A influência artificial ou natural do ambiente externo pode afetar apenas ligeiramente a gravidade geral dos 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 de vários tipos de 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, é fixada de dentro para a membrana celular. Eles e eucariotos inferiores (por exemplo, leveduras) também possuem pequenas moléculas de DNA autônomas, principalmente circulares, chamadas plasmídeos.

Do ponto de vista químico, o DNA é uma longa molécula polimérica que consiste em blocos repetidos - 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 de RNA, sendo os mais importantes a informação ou molde (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

A localização das combinações básicas de compostos químicos de DNA e as proporções quantitativas entre essas combinações fornecem a codificação da informação hereditária.

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 do RNA), que se combina com um resíduo de ácido fosfórico (H 2 PO 3 -).

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

Arroz. Fig. 5. A estrutura dos nucleotídeos (esquerda), a localização do nucleotídeo no DNA (abaixo) e os tipos de bases nitrogenadas (direita): 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 das 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. Em diferentes fitas de DNA, as bases nitrogenadas são conectadas umas às outras por meio de 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 na 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 DE DNA

Replicação do DNAé o processo de duplicação de uma molécula de DNA por síntese de molde. Na maioria dos casos de replicação natural do DNAcartilhapara a síntese de DNA é trecho curto (criado novamente). Esse primer de ribonucleotídeo é criado pela enzima primase (DNA primase em procariontes, DNA polimerase em eucariotos) e é posteriormente substituído pela desoxirribonucleotídeo polimerase, que normalmente desempenha funções de reparo (corrigindo danos químicos e quebras na molécula de DNA).

A replicação ocorre de maneira semiconservativa. 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:

1) A DNA topoisomerase, localizada na frente da forquilha de replicação, corta o DNA para facilitar seu desenrolamento e desenrolamento.
2) A DNA helicase, seguindo a topoisomerase, afeta o processo de "desenrolamento" da hélice do DNA.
3) As proteínas de ligação ao DNA realizam a ligação das fitas de DNA, e também realizam sua estabilização, evitando que se colem umas às outras.
4) DNA polimerase δ(delta) , coordenado com a velocidade de movimento do garfo de replicação, realiza a sínteseconduzindocorrentes subsidiária DNA na direção 5" → 3" na matriz materno fitas de DNA na direção de sua extremidade de 3" para a extremidade de 5" (velocidade de até 100 pares de bases por segundo). Esses eventos neste materno fitas de DNA são limitadas.

Arroz. 9. Representação esquemática do processo de replicação do DNA: (1) Lagging strand (lag strand), (2) Leading strand (lead strand), (3) DNA polimerase α (Polα), (4) DNA ligase, (5) RNA -primer, (6) Primase, (7) fragmento de Okazaki, (8) DNA polimerase δ (Polδ), (9) Helicase, (10) Proteínas de ligação ao DNA de fita simples, (11) Topoisomerase.

A síntese da fita de DNA filha atrasada é descrita abaixo (veja abaixo). esquema forquilha de replicação e função das enzimas de replicação)

Para obter mais informações sobre a replicação do DNA, consulte

5) Imediatamente após o desenrolamento e estabilização de outra fita da molécula original, ela se uneDNA polimerase α(alfa)e na direção 5 "→3" sintetiza um primer (primer de RNA) - uma sequência de RNA em um molde de DNA com um comprimento de 10 a 200 nucleotídeos. Depois disso, a enzimaremovido da fita de DNA.

Ao invés de DNA polimeraseα anexado à extremidade de 3" do primer DNA polimeraseε .

6) DNA polimeraseε (épsilon) como se continuasse a alongar o primer, mas como um substrato incorporadesoxirribonucleotídeos(na quantidade de 150-200 nucleotídeos). Como resultado, um fio sólido é formado a partir de duas partes -RNA(ou seja, primer) e ADN. DNA polimerase εfunciona até encontrar o primer do anteriorfragmento Okazaki(sintetizado um pouco antes). Esta enzima é então removida da cadeia.

7) DNA polimerase β(beta) substituiDNA polimerases ε,move-se na mesma direção (5" → 3") e remove os ribonucleotídeos do primer enquanto insere os desoxirribonucleotídeos em seu lugar. A enzima funciona até a remoção completa do primer, ou seja, até que um desoxirribonucleotídeo (ainda mais previamente sintetizadoDNA polimerase ε). A enzima não é capaz de ligar o resultado do seu trabalho e o DNA da frente, então sai da cadeia.

Como resultado, um fragmento do DNA filha "está" na matriz do fio mãe. É chamadofragmento de Okazaki.

8) A DNA ligase liga duas fragmentos Okazaki , ou seja 5"-fim do segmento, sintetizadoDNA polimerase ε,e extremidade de corrente de 3" embutidaDNA polimeraseβ .

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 adicional 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. Todos os organismos celulares usam 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 secundárias e terciárias, desempenham funções que dependem 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 o processo de transcrição reversa também é possível, quando o DNA é sintetizado a partir de um molde de RNA, mas esse 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 dos genes contidos no conjunto haplóide de cromossomos de organismos da mesma espécie biológica. O significado original desse termo indicava que o conceito de genoma, ao contrário do genótipo, é uma característica genética da espécie como um todo, e não de um indivíduo. Com o desenvolvimento da genética molecular, o significado deste 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 os genes no sentido moderno da palavra. A maior parte do DNA das células eucarióticas é representada 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.

Ao longo do século passado, nossa compreensão dos genes mudou significativamente. 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 uma definição molecular de um 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 ao rompimento de toda a 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 tripletos de nucleotídeos no 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).

Definição bioquímica moderna de um 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.

Juntamente com os genes, o DNA também contém outras sequências que desempenham uma função exclusivamente 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 (cadeia de comprimento médio) corresponde a uma sequência de 1050 pb. ( 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 se trata de um círculo regular, mas sim de uma alça sem começo e fim), composta por 4.639.675 pb. 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 que estão 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 para formar plasmídeos-filhos, que entram nas 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. Os plasmídeos que carregam o gene da β-lactamase 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 bactérias patogênicas, 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, um objeto clássico da pesquisa genética, contém 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 masculinos heterogaméticos, 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. O DNA mitocondrial codifica o tRNA e o 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 de DNA que codifica apenas uma proteína ou RNA, além da parte de codificação direta, também inclui elementos reguladores e outros elementos estruturais que têm uma estrutura diferente em procariontes e eucariotos.

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 constituem uma unidade de transcrição - uma região de DNA transcrita, ou seja, uma região de 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 são caracterizados pela combinação de vários genes em uma única 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

Esse pareamento não ocorre em eucariotos devido à presença de um envelope nuclear que separa o citoplasma, onde ocorre a tradução, do material genético, no qual ocorre a transcrição. Em procariontes, durante a síntese de RNA em um molde de DNA, um ribossomo pode se ligar imediatamente à molécula de RNA sintetizada. Assim, a tradução começa antes mesmo da transcrição estar completa. Além disso, vários ribossomos podem se ligar simultaneamente a uma molécula de RNA, sintetizando várias moléculas de uma proteína de uma só vez.

A estrutura dos genes em eucariotos

Os genes e cromossomos dos eucariotos são organizados de forma muito complexa.

As bactérias de muitas espécies têm apenas um cromossomo e, em quase todos os casos, há uma cópia de cada gene em cada cromossomo. Apenas alguns genes, como os genes rRNA, estão contidos em várias cópias. Genes e sequências regulatórias compõem quase todo o genoma dos procariontes. Além disso, quase todos os genes correspondem estritamente à sequência de aminoácidos (ou sequência de RNA) que codifica (Fig. 14).

A organização estrutural e funcional dos genes eucarióticos é muito mais complexa. O estudo dos cromossomos eucarióticos e, posteriormente, o sequenciamento de sequências completas do genoma eucariótico trouxe muitas surpresas. Muitos, se não a maioria, dos genes eucarióticos têm uma característica interessante: suas sequências de nucleotídeos contêm uma ou mais regiões de DNA que não codificam a sequência de aminoácidos do produto polipeptídico. Tais inserções não traduzidas interrompem a correspondência direta entre a sequência de nucleotídeos do gene e a sequência de aminoácidos do polipeptídeo codificado. Esses segmentos não traduzidos nos genes são chamados íntrons, ou construídas em sequências, e os segmentos de codificação são exons. Em procariontes, apenas alguns genes contêm íntrons.

Assim, em eucariotos, praticamente não há combinação de genes em operons, e a sequência de codificação de um gene eucariótico é mais frequentemente dividida em regiões traduzidas. - exons, e seções não traduzidas - íntrons.

Na maioria dos casos, a função dos íntrons não foi estabelecida. Em geral, apenas cerca de 1,5% do DNA humano é "codificador", ou seja, carrega informações sobre proteínas ou RNA. No entanto, levando em conta os grandes íntrons, verifica-se que 30% do DNA humano consiste em genes. Como os genes constituem uma proporção relativamente pequena do genoma humano, uma quantidade significativa de DNA permanece desconhecida.

Arroz. 16. Esquema da estrutura do gene em eucariotos - a imagem é ampliada

De cada gene, um imaturo, ou pré-RNA, é sintetizado primeiro, que contém tanto íntrons quanto éxons.

Depois disso, ocorre o processo de splicing, em que as regiões do intron são excisadas e um mRNA maduro é formado, a partir do qual uma proteína pode ser sintetizada.

Arroz. 20. Processo de emenda alternativo - a imagem é ampliada

Tal organização de genes permite, por exemplo, quando diferentes formas de uma proteína podem ser sintetizadas a partir de um gene, devido ao fato de que os éxons podem ser fundidos em diferentes sequências durante o splicing.

Arroz. 21. Diferenças na estrutura dos genes de procariontes e eucariontes - a imagem é ampliada

MUTAÇÕES E MUTAGENESIS

mutação chamada de mudança persistente no genótipo, ou seja, uma mudança na sequência de nucleotídeos.

O processo que leva à mutação é chamado mutagênese, e o organismo tudo cujas células carregam a mesma mutação mutante.

teoria da mutação foi formulado pela primeira vez por Hugh de Vries em 1903. Sua versão moderna inclui as seguintes disposições:

1. As mutações ocorrem de repente, abruptamente.

2. As mutações são transmitidas de geração em geração.

3. As mutações podem ser benéficas, deletérias ou neutras, dominantes ou recessivas.

4. A probabilidade de detecção de mutações depende do número de indivíduos estudados.

5. Mutações semelhantes podem ocorrer repetidamente.

6. As mutações não são direcionadas.

As mutações podem ocorrer sob a influência de vários fatores. Diferencie mutações causadas por mutagênico impactos: física (por exemplo, ultravioleta ou radiação), química (por exemplo, colchicina ou espécies reativas de oxigênio) e biológica (por exemplo, vírus). Mutações também podem ser causadas erros de replicação.

Dependendo das condições para o aparecimento de mutações são divididos em espontâneo- isto é, mutações que surgiram em condições normais, e induzido- isto é, mutações que surgiram sob condições especiais.

As mutações podem ocorrer não apenas no DNA nuclear, mas também, por exemplo, no DNA de mitocôndrias ou plastídios. Assim, podemos distinguir nuclear e citoplasmático mutações.

Como resultado da ocorrência de mutações, novos alelos podem aparecer. Se o alelo mutante substituir o alelo normal, a mutação é chamada dominante. Se o alelo normal suprime o mutante, a mutação é chamada recessivo. A maioria das mutações que dão origem a novos alelos são recessivas.

As mutações são distinguidas pelo efeito adaptável, levando a um aumento na adaptabilidade do organismo ao ambiente, neutro que não afetam a sobrevivência prejudicial que reduzem a adaptabilidade dos organismos às condições ambientais e letal levando à morte do organismo nos estágios iniciais de desenvolvimento.

De acordo com as consequências, as mutações são distinguidas, levando a perda da função da proteína, mutações que levam a emergência a proteína tem uma nova função, bem como mutações que alterar a dose de um gene, e, consequentemente, a dose de proteína sintetizada a partir dele.

Uma mutação pode ocorrer em qualquer célula do corpo. Se uma mutação ocorre em uma célula germinativa, ela é chamada germinal(germinativo ou generativo). Tais mutações não aparecem no organismo em que surgiram, mas levam ao aparecimento de mutantes na prole e são herdadas, por isso são importantes para a genética e a evolução. Se a mutação ocorrer em qualquer outra célula, ela é chamada de somático. Tal mutação pode se manifestar até certo ponto no organismo em que surgiu, por exemplo, levar à formação de tumores cancerígenos. No entanto, tal mutação não é herdada e não afeta a prole.

As mutações podem afetar partes do genoma de diferentes tamanhos. distribuir genético, cromossômico e genômico mutações.

Mutações genéticas

Mutações que ocorrem em uma escala menor que um gene são chamadas genético, ou pontilhado (pontilhado). Tais mutações levam a uma alteração em um ou mais nucleotídeos na sequência. As mutações genéticas incluemsubstituições, levando à substituição de um nucleotídeo por outro,exclusões levando à perda de um dos nucleotídeos,inserções, levando à adição de um nucleotídeo extra à sequência.

Arroz. 23. Mutações genéticas (pontuais)

De acordo com o mecanismo de ação na proteína, as mutações genéticas são divididas em:sinônimo, que (como resultado da degeneração do código genético) não levam a uma alteração na composição de aminoácidos do produto proteico,mutações sem sentido, que levam à substituição de um aminoácido por outro e podem afetar a estrutura da proteína sintetizada, embora muitas vezes sejam insignificantes,mutações sem sentido, levando à substituição do códon de codificação por um códon de parada,mutações que levam a desordem de emenda:

Arroz. 24. Esquemas de mutação

Além disso, de acordo com o mecanismo de ação na proteína, as mutações são isoladas, levando a mudança de quadro leituras como inserções e exclusões. Tais mutações, como as mutações sem sentido, embora ocorram em um ponto do gene, muitas vezes afetam toda a estrutura da proteína, o que pode levar a uma mudança completa em sua estrutura.

Arroz. 29. Cromossomo antes e depois da duplicação

Mutações genômicas

Finalmente, mutações genômicas afetam todo o genoma, ou seja, o número de cromossomos muda. A poliploidia é diferenciada - um aumento na ploidia da célula e aneuploidia, ou seja, uma mudança no número de cromossomos, por exemplo, trissomia (a presença de um homólogo adicional em um dos cromossomos) e monossomia (a ausência de um homólogo no cromossomo).

Vídeo relacionado ao DNA

REPLICAÇÃO DE DNA, CODIFICAÇÃO DE RNA, SÍNTESE DE PROTEÍNAS

Um modelo espacial da molécula de DNA foi proposto em 1953 por pesquisadores americanos, o geneticista James Watson (n. 1928) e o físico Francis Crick (n. 1916). Por sua notável contribuição para esta descoberta, eles receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1962.

O ácido desoxirribonucleico (DNA) é um biopolímero cujo monômero é um nucleotídeo. Cada nucleotídeo é composto por um resíduo de ácido fosfórico ligado a um açúcar com desoxirribose, que, por sua vez, está ligado a uma base nitrogenada. Existem quatro tipos de bases nitrogenadas na molécula de DNA: adenina, timina, guanina e citosina.

A molécula de DNA consiste em duas longas cadeias entrelaçadas na forma de uma espiral, na maioria das vezes destra. A exceção são os vírus que contêm DNA de fita simples.

O ácido fosfórico e o açúcar, que fazem parte dos nucleotídeos, formam a base vertical da hélice. As bases nitrogenadas são dispostas perpendicularmente e formam "pontes" entre as hélices. As bases nitrogenadas de uma cadeia são conectadas às bases nitrogenadas da outra cadeia de acordo com o princípio da complementaridade, ou correspondência.

O princípio da complementaridade. Na molécula de DNA, a adenina combina apenas com timina, guanina - apenas com citosina.

As bases nitrogenadas combinam perfeitamente umas com as outras. Adenina e timina são conectadas por duas ligações de hidrogênio, guanina e citosina por três. Portanto, mais energia é necessária para quebrar a ligação guanina-citosina. O mesmo tamanho de timina e citosina são muito menores que adenina e guanina. O par timina-citosina seria muito pequeno, o poro adenina-guanina seria muito grande e a hélice do DNA seria dobrada.

As ligações de hidrogênio são frágeis. Eles são facilmente rasgados e restaurados com a mesma facilidade. As cadeias da dupla hélice, sob ação de enzimas ou em alta temperatura, podem divergir como um zíper.

5. Molécula de RNA Ácido ribonucleico (RNA)

A molécula de ácido ribonucleico (RNA) também é um biopolímero, que consiste em quatro tipos de monômeros - nucleotídeos. Cada monômero de uma molécula de RNA contém um resíduo de ácido fosfórico, um açúcar ribose e uma base nitrogenada. Além disso, as três bases nitrogenadas são as mesmas do DNA - adenina, guanina e citosina, mas em vez de timina no RNA há um uracil próximo a ela na estrutura. O RNA é uma molécula de fita simples.

O conteúdo quantitativo de moléculas de DNA em células de qualquer tipo é quase constante, mas a quantidade de RNA pode variar significativamente.

Tipos de RNA

Dependendo da estrutura e função desempenhada, distinguem-se três tipos de RNA.

1. Transferir RNA (tRNA). Os RNAs de transferência são encontrados principalmente no citoplasma da célula. Eles carregam aminoácidos para o local de síntese de proteínas no ribossomo.

2. RNA ribossômico (rRNA). O RNA ribossômico liga-se a certas proteínas e forma ribossomos, as organelas nas quais as proteínas são sintetizadas.

3. RNA mensageiro (mRNA), ou RNA mensageiro (mRNA). O RNA mensageiro carrega informações sobre a estrutura da proteína do DNA para o ribossomo. Cada molécula de mRNA corresponde a uma seção específica de DNA que codifica a estrutura de uma molécula de proteína. Portanto, para cada uma das milhares de proteínas sintetizadas na célula, existe seu próprio mRNA especial.

Ministério da Educação da Federação Russa

Universidade Estadual dos Urais do Sul

Departamento de Economia e Gestão

Disciplina "O conceito de ciência natural moderna"

"Fundamentos químicos da estrutura do DNA"

Concluído: estudante EiU-232

Sedrakyan Igor

Verificado por: Senin A.V.

Chelyabinsk

Introdução

estrutura do DNA

Composição do DNA

Estrutura macromolecular do DNA

4.1 Isolamento de ácidos desoxirribonucleicos

4.2 Fracionamento

Funções do ADN

Ligações internucleotídicas

6.1 Ligação internucleotídica no DNA

7. Síntese do modelo de DNA

7.1 DNA polimerases

7.2 Iniciação de fitas de DNA

7.3 Desenrolando a dupla hélice do DNA

7.4 Síntese de DNA descontínua

7.5 Ação cooperativa das proteínas da forquilha de replicação

8. Conclusão

Fontes usadas

Introdução

Traços herdados são estabelecidos em unidades materiais, genes, que estão localizados nos cromossomos do núcleo da célula. A natureza química dos genes é conhecida desde 1944: estamos falando do ácido desoxirribonucleico (DNA). A estrutura física foi elucidada em 1953. A dupla hélice desta macromolécula explica o mecanismo de transmissão hereditária dos traços.

Olhando de perto o mundo ao nosso redor, notamos uma grande variedade de seres vivos - de plantas a animais. Sob essa aparente diversidade, na realidade, está a incrível unidade das células vivas - os elementos a partir dos quais qualquer organismo é montado e cuja interação determina sua existência harmoniosa. Do ponto de vista das espécies, as semelhanças entre os indivíduos são grandes e, no entanto, não existem dois organismos absolutamente idênticos (exceto gêmeos idênticos). No final do século XIX, nas obras de Gregor Mendel, foram formuladas as leis básicas que determinavam a transmissão hereditária dos traços de geração em geração. No início do século XX, nos experimentos de T. Morgan, foi demonstrado que os traços hereditários elementares são devidos a unidades materiais (genes) localizadas nos cromossomos, onde se localizam sequencialmente um após o outro.

Em 1944, o trabalho de Avery, McLeod e McCarthy determinaram a natureza química dos genes: eles consistem em ácido desoxirribonucleico (DNA). Após 10 anos, J. Watson e F. Crick propuseram um modelo da estrutura física da molécula de DNA. Uma longa molécula é formada por uma dupla hélice, e a interação complementar entre as duas fitas dessa hélice nos permite entender como a informação genética é copiada (replicada) com precisão e transmitida às gerações subsequentes.

Simultaneamente a essas descobertas, os cientistas tentaram analisar os "produtos" dos genes, ou seja, aquelas moléculas que são sintetizadas nas células sob seu controle. O trabalho de Ephrussi, Beadle e Tatum às vésperas da Segunda Guerra Mundial apresentou a ideia de que os genes "produzem" proteínas. Assim, um gene armazena informações para a síntese de uma proteína (enzima) necessária para a implementação bem-sucedida de uma determinada reação em uma célula. Mas teve que esperar até os anos 60 para que o complexo mecanismo de decifração da informação contida no DNA e sua tradução em forma de proteína fosse desvendado. No final, em grande parte devido ao trabalho de Nirenberg (EUA), foi descoberta a lei da correspondência entre DNA e proteínas - o código genético.

estrutura do DNA.

Em 1869, o bioquímico suíço Friedrich Miescher descobriu no núcleo das células compostos com propriedades ácidas e com peso molecular ainda maior que as proteínas. Altman os chamou de ácidos nucleicos, da palavra latina "núcleo" - o núcleo. Assim como as proteínas, os ácidos nucleicos são polímeros. Seus monômeros são nucleotídeos e, portanto, os ácidos nucleicos também podem ser chamados de polinucleotídeos.

Os ácidos nucleicos foram encontrados nas células de todos os organismos, dos mais simples aos mais elevados. O mais surpreendente é que a composição química, estrutura e propriedades básicas dessas substâncias se mostraram semelhantes em uma variedade de organismos vivos. Mas se cerca de 20 tipos de aminoácidos participam da construção de proteínas, então existem apenas quatro nucleotídeos diferentes que compõem os ácidos nucleicos.

Os ácidos nucleicos são divididos em dois tipos - ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). A composição do DNA inclui bases nitrogenadas (adenina (A), guanina (G), timina (T), citosina (C)), desoxirribose C 5 H 10 O 4 e um resíduo de ácido fosfórico. O RNA contém uracila (U) em vez de timina e ribose (C5H10O5) em vez de desoxirribose. Os monômeros de DNA e RNA são nucleotídeos, que consistem em bases nitrogenadas, purinas (adenina e guanina) e pirimidinas (uracila, timina e citosina), um resíduo de ácido fosfórico e carboidratos (ribose e desoxirribose).

As moléculas de DNA estão contidas nos cromossomos do núcleo celular dos organismos vivos, nas estruturas equivalentes das mitocôndrias, cloroplastos, nas células procarióticas e em muitos vírus. Em sua estrutura, a molécula de DNA é semelhante a uma dupla hélice. Modelo estrutural de DNA em
a forma de uma dupla hélice foi proposta pela primeira vez em 1953 pelo bioquímico americano J. Watson e pelo biofísico e geneticista inglês F. Crick, que receberam o Prêmio Nobel em 1962 junto com o biofísico inglês M. Wilkinson, que recebeu o X- Os ácidos nucleicos são biopolímeros cujas macromoléculas consistem em ligações repetidas repetidamente - nucleotídeos. Portanto, eles também são chamados de polinucleotídeos. A característica mais importante dos ácidos nucléicos é sua composição de nucleotídeos. A composição do nucleotídeo - a unidade estrutural dos ácidos nucleicos - inclui três componentes:

base nitrogenada - pirimidina ou purina. Os ácidos nucleicos contêm 4 tipos diferentes de bases: dois deles pertencem à classe das purinas e dois pertencem à classe das pirimidinas. O nitrogênio contido nos anéis dá às moléculas suas propriedades básicas.

monossacarídeo - ribose ou 2-desoxirribose. O açúcar, que faz parte do nucleotídeo, contém cinco átomos de carbono, ou seja, é uma pentose. Dependendo do tipo de pentose presente no nucleotídeo, existem dois tipos de ácidos nucleicos - ácidos ribonucleicos (RNA), que contêm ribose, e ácidos desoxirribonucleicos (DNA), que contêm desoxirribose.

resíduo de ácido fosfórico. Os ácidos nucleicos são ácidos porque suas moléculas contêm ácido fosfórico.

O nucleotídeo é o éster de fosfato do nucleosídeo. O nucleosídeo consiste em dois componentes: um monossacarídeo (ribose ou desoxirribose) e uma base nitrogenada.

O método para determinar a composição do PC é baseado na análise dos hidrolisados ​​formados durante sua clivagem enzimática ou química. Três métodos de clivagem química de NCs são comumente usados. A hidrólise ácida sob condições adversas (70% ácido perclórico, 100°C, 1 h ou 100% ácido fórmico, 175°C, 2 h), usado para análise de DNA e RNA, resulta na clivagem de todas as ligações N-glicosídicas e a formação de uma mistura de bases purinas e pirimidinas.

Os nucleotídeos são conectados em uma cadeia através de ligações covalentes. As cadeias de nucleotídeos formadas dessa maneira são combinadas em uma molécula de DNA ao longo de todo o comprimento por ligações de hidrogênio: o nucleotídeo adenina de uma cadeia está conectado ao nucleotídeo timina da outra cadeia e o nucleotídeo guanina ao citosina. Nesse caso, a adenina sempre reconhece apenas a timina e se liga a ela e vice-versa. Um par semelhante é formado por guanina e citosina. Esses pares de bases, como os nucleotídeos, são chamados de complementares, e o próprio princípio da formação de uma molécula de DNA de fita dupla é chamado de princípio da complementaridade. O número de pares de nucleotídeos, por exemplo, no corpo humano é de 3 a 3,5 bilhões.

O DNA é um portador material de informação hereditária, que é codificada por uma sequência de nucleotídeos. O arranjo de quatro tipos de nucleotídeos nas cadeias de DNA determina a sequência de aminoácidos nas moléculas de proteína, ou seja, sua estrutura primária. As propriedades das células e as características individuais dos organismos dependem de um conjunto de proteínas. Uma certa combinação de nucleotídeos que carregam informações sobre a estrutura da proteína e a sequência de sua localização na molécula de DNA forma o código genético. Gene (do grego genos - gênero, origem) - uma unidade de material hereditário responsável pela formação de qualquer característica. Ocupa uma seção da molécula de DNA que determina a estrutura de uma molécula de proteína. A totalidade dos genes contidos em um único conjunto de cromossomos de um determinado organismo é chamada de genoma, e a constituição genética do organismo (a totalidade de todos os seus genes) é chamada de genótipo. A violação da sequência de nucleotídeos na cadeia de DNA e, conseqüentemente, no genótipo leva a mudanças hereditárias nas mutações do corpo.

As moléculas de DNA são caracterizadas por uma importante propriedade de duplicação - a formação de duas hélices duplas idênticas, cada uma idêntica à molécula original. Este processo de duplicação de uma molécula de DNA é chamado de replicação. A replicação envolve a quebra de antigas e a formação de novas ligações de hidrogênio que unem cadeias de nucleotídeos. No início da replicação, as duas antigas cadeias começam a se desenrolar e a se separar uma da outra. Então, de acordo com o princípio da complementaridade, novos são adicionados às duas antigas cadeias. Isso forma duas hélices duplas idênticas. A replicação fornece uma cópia exata da informação genética contida nas moléculas de DNA e a transmite de geração em geração.

Composição do DNA

DNA (ácido desoxirribonucleico)- um polímero biológico constituído por duas cadeias polinucleotídicas ligadas entre si. Os monômeros que compõem cada uma das cadeias de DNA são compostos orgânicos complexos que incluem uma das quatro bases nitrogenadas: adenina (A) ou timina (T), citosina (C) ou guanina (G); o açúcar de cinco átomos pentose - desoxirribose, após o qual o próprio DNA foi nomeado, bem como um resíduo de ácido fosfórico. Esses compostos são chamados de nucleotídeos. Em cada fita, os nucleotídeos são unidos pela formação de ligações covalentes entre a desoxirribose de um e o resíduo de ácido fosfórico do próximo nucleotídeo. Duas cadeias são combinadas em uma molécula usando ligações de hidrogênio que ocorrem entre bases nitrogenadas que fazem parte dos nucleotídeos que formam cadeias diferentes.

Explorando a composição de nucleotídeos do DNA de várias origens, Chargaff descobriu os seguintes padrões.

1. Todo DNA, independentemente de sua origem, contém o mesmo número de bases purinas e pirimídicas. Portanto, em qualquer DNA, há um nucleotídeo de pirimidina para cada nucleotídeo de purina.

2. Qualquer DNA sempre contém quantidades iguais de adenina e timina, guanina e citosina em pares, o que geralmente é referido como A=T e G=C. Um terceiro padrão decorre dessas regularidades.

3. O número de bases contendo grupos amino na posição 4 do núcleo pirimidina e 6 da purina (citosina e adenina) é igual ao número de bases contendo o grupo oxo nas mesmas posições (guanina e timina), ou seja, A + C = G + T . Esses padrões são chamados de regras de Chargaff. Junto com isso, verificou-se que para cada tipo de DNA, o teor total de guanina e citosina não é igual ao teor total de adenina e timina, ou seja, que (G + C) / (A + T), como regra, difere da unidade (talvez mais e menos). De acordo com essa característica, distinguem-se dois tipos principais de DNA: tipo AT com conteúdo predominante de adenina e timina e tipo GC com conteúdo predominante de guanina e citosina.

O valor da razão do conteúdo da soma de guanina e citosina para a soma do conteúdo de adenina e timina, que caracteriza a composição de nucleotídeos de um determinado tipo de DNA, é geralmente chamado coeficiente de especificidade. Cada DNA possui um coeficiente de especificidade característico, que pode variar de 0,3 a 2,8. No cálculo do coeficiente de especificidade, leva-se em consideração o teor de bases menores, bem como a substituição das bases principais por suas derivadas. Por exemplo, ao calcular o coeficiente de especificidade para EDNA de germe de trigo, que contém 6% de 5-metilcitosina, este último é incluído na soma do teor de guanina (22,7%) e citosina (16,8%). O significado das regras de Chargaff para o DNA ficou claro após o estabelecimento de sua estrutura espacial.