Какое значение в жизни клетки имеет свойство самокопирования днк

Суммарная длина ДНК в клетках человека составляет около 2 м. Диаметр ядра клетки — порядка 7 мкм. Если учесть, что каждая хромосома представлена отдельной молекулой ДНК, уровень компактизации ДНК составляет более 6000 раз. Каким же образом это достигается?

Выделяют различные уровни упаковки ДНК. Разные участки ДНК могут быть упакованы в разной степени.

1. Первый уровень компактизации ДНК — нуклеосомный. Если подвергнуть действию нуклеазы хроматин, то ДНК подвергается распаду на регулярно повто­ряющиеся структуры. Эти повторяющиеся структуры представляют собой 8 молекул белков-гистонов (октамер) и намотанную на этот октамер ДНК. Такая сложная нуклеопротеидная частица получила название нуклеосомы. В ней гистоны образуют белковую основу-сердцевину, по поверхности которой располага­ется почти 2 витка ДНК.

   

   

   Между нуклеосомами остается не связанный с гистонами участок ДНК — линкер, который, соединяя две соседние нуклеосомы, переходит в ДНК следующей нуклеосомы. Этот уровень компактизации иногда называют «бусины на нитке», где бусины — это нуклеосомы, а нитка — это ДНК. Диаметр нуклеосомы около 11 нм. Первый, нуклеосомный, уровень компакти­зации хроматина играет регуляторную и структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6—7 раз. 

2. Второй уровень компактизации—30 нм фибрилла. В митотических хромосомах и в интерфазных ядрах выявляются фибриллы хроматина с диаметром 25—30 нм. Выделяют соленоидный тип укладки нуклеосом: нить плотно упако­ванных нуклеосом диаметром 10 нм образует витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой су­перспирали приходится 6—7 нуклеосом. В результате такой упаковки возникает фиб­рилла спирального типа с цент­ральной полостью. Хроматин в составе ядер имеет 25-нм фибриллы, которая состоит из сближенных глобул того же размера — нуклеомеров. Эти нуклеомеры называют сверхбусинами («супербиды»). Основная фибрилла хроматина диаметром 25 нм представляет собой линейное чередование нуклеомеров вдоль компактизованной молекулы ДНК. В составе нуклеомера образуются два витка нуклеосомной фибриллы, по 4 нуклеосомы в каждом. Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК. Нуклесомный и нуклеомерный (супербидный) уровни компак­тизации ДНК хроматина осуществляются за счет гистоновых белков.

   

3. Петлевые домены ДНК—третий уровень структурной организации хроматина — хромомерный. В высших уровнях организации хроматина специфические белки свя­зываются с особыми участками ДНК, которая в местах связы­вания образует большие петли, или домены. В некоторых местах есть сгустки конденсированного хроматина, розетковидные образования, состоящие из многих пе­тель 30 нм-фибрилл, соединяющихся в плотном центре. Средний раз­мер розеток достига­ет 100—150 нм. Розетки фиб­рилл хроматина—хромомеры. Каждый хромомер состоит из нескольких содержащих нуклеосомы петель, которые связаны в одном центре. Хромо­меры связаны друг с другом участками нуклеосомного хро­матина. Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает структурную компактизацию хроматина и организует функ­циональные единицы хромосом — репликоны и транскрибиру­емые гены.

   

   1 — нуклеосомный, 2 — нуклеомерный, 3 — хромомерный, 4 — хроматидный, 5 — хромосомный уровни компактизации ДНК.

4. Более плотная упаковка ДНК (хроматидный и хромосомный уровень) достигается за счет дальнейшей компактизации хромомеров и наблюдается в делящихся клетках — в них хромосомы настолько плотны, что становятся видны в световой микроскоп как отдельные образования. В неделящейся клетке хромосомы деспирализованы (деконденсированы), границ между ними не видно, и их диффузный материал называется хроматином.
   На электронной микрофотографии в растительной клетке видны более тёмные и плотные участки гетерохроматина и более светлые, рыхлые участки эухроматина. Эухроматин транскрипционно активен, геторохроматин — в основном молчащие участки ДНК, а также теломеры и центромеры — структурные элементы хромосом, не содержащие генов. Центромерные и теломерные участки относятся к облигатому (обязательному) гетерохроматину. Факультативный гетерохроматин может образовываться или не образовываться в данной области ДНК в том или ином типе клеток.

   

Группа ученых провела исследование ДНК вымершей птицы моа, используя для этого найденные кости возрастом от 600 до 8 000 лет, и выяснила, что через 521 год связи в ДНК распадаются настолько, что генетический код прочитать уже довольно сложно.

Примерно через 1,5 млн лет обрывки этих связей станут настолько короткими, что их невозможно будет прочитать, а полный распад ДНК займет около 6,8 млн лет, то есть надежды клонировать динозавров, вымерших около 65 млн лет назад, практически не остается.

Ученые не исключают, что период полураспада ДНК в останках, хранящихся в условиях вечной мерзлоты, может быть больше, но вряд ли этого достаточно, чтобы на Земле появился настоящий «парк юрского периода». А вот надежда на клонирование мамонтов, останки которых и находят там, где всегда зима, еще не совсем потеряна: например, на острове Врангеля эти гигантские животные жили еще «каких-то» 4 000 лет назад.

Растение вороний глаз, родиной которого является Япония, имеет в 50 раз больше пар нуклеотидов («букв», которыми «написана» ДНК), чем человек: 150 млрд против 3,2 млрд. Если бы все молекулы ДНК, содержащиеся в одной клетке растения, выстроились в высоту, получилась бы башня размером с Биг-Бен.

Однако ученые считают, что ДНК амеб может быть еще более массивной, так что ее сложность никак не соотносится со сложностью самого организма «хозяина».

Кроме того, ученым до сих пор не известно, почему в природе существует подобная разница в генетическом коде. Кстати, подобная особенность не дает растению каких-либо преимуществ. Наоборот, вороньему глазу требуется гораздо больше времени на рост, поскольку репликация ДНК (или, проще говоря, процесс копирования самой себя) длится дольше, чем у сородичей.

Каждая клетка человеческого организма содержит 46 молекул ДНК (за исключением яйцеклеток и сперматозоидов, где их по 23), а если выстроить их все в один ряд, то получится цепочка длиной 2 метра. Всего в человеческом организме примерно 37,2 трлн клеток, таким образом, если собрать цепочку из всех молекул ДНК в нашем теле, ее длина достигнет примерно 74 трлн метров, или 74 млрд км.

Много ли это? Расстояние от Солнца до Плутона в среднем составляет 5,7 млрд км, соответственно, путь туда и обратно — около 11,4 млрд км. Таким образом, ДНК всего лишь одного взрослого человека можно «обмотать» нашу звезду и бывшую 9-ю планету более 6 раз. А вот от нас до Солнца и обратно можно слетать аж 70 раз.

Коловратки, входящие в подкласс Bdelloidea, — создания необычные, ведь все особи у них бывают исключительно женского пола. Однако за 40 млн лет своего существования коловратки разделились на 360 видов, что нехарактерно для созданий, размножающихся бесполым способом.

Дело в том, что эти микроскопические создания научились встраивать в свой геном ДНК различных растений, грибов и бактерий. По мнению ученых, это возможно благодаря их способности переносить засуху: коловратки могут «засыхать», практически прекращая свою жизнедеятельность, и проводить в таком состоянии годы, а при появлении воды снова возрождаться.

Во время «сухого» периода коловратки и «вбирают» в себя постороннюю ДНК, а после возрождения восстанавливают свою вместе с «ворованной». И так как чужой геном впитывают именно половые клетки, новорожденная коловратка будет генетически отличаться от «матери».

Благодаря исследованию ДНК жителей Исландии ученым удалось установить, что первым человеком, прибывшим в Старый Свет из Нового, была женщина. Случилось это за несколько столетий до открытия Колумба, а, как известно, первым европейцем, достигшим берегов Северной Америки, был скандинавский мореплаватель Лейф Эрикссон, живший на рубеже X–XI веков. Возможно, это именно он привез гостью из далеких земель в Европу.

В ходе исследования ученые выяснили, что у 11 представителей 4 исландских семей, живших на острове как минимум с 1710 года, обнаружилась разновидность митохондриальной ДНК, ближайшая «родственница» которой встречается только у коренного населения Северной Америки. А так как митохондриальная ДНК наследуется исключительно от матери, можно смело предположить, что первой на землю Старого Света шагнула именно женщина, и было это примерно в 1000 году.

В 1993–2009 годах во Франции, Австрии и Германии произошло в общей сложности 40 преступлений, включая и особо тяжкие. Между ними не было никакой связи, кроме того, что на местах находили следы одной и той же ДНК, принадлежащей женщине. Все это было настолько загадочно и необычно, что предполагаемой преступнице даже дали прозвище Фантом из Хайльбронна — по названию города, где было совершено убийство девушки-полицейского в 2007 году.

Единственное, что полиция смогла установить, — это то, что Фантом родом из Восточной Европы, других данных получить не удалось. Дело имело такой резонанс, что за поимку неуловимой преступницы в начале 2009 года была назначена награда в € 300 тыс. В марте 2009 года были взяты пробы с обгоревшего тела мужчины, и оказалось, что его ДНК была не только женской, но и той же самой, что находили следователи ранее.

Следствие пришло к выводу, что никакого Фантома не существует, и дело в ватных палочках, которые использовали для взятия проб ДНК. Оказалось, что палочки были загрязнены еще на производстве, а виновницей была одна из работниц, чьи генетические «отпечатки» и находили в ходе расследований. Так и закончилась долгая история одного из самых неуловимых маньяков Европы.

По содержанию в клетке можно выделить три группы элементов. В первую группу входят кислород, углерод, водород и азот. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Во вторую группу входят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Элементы этих двух групп относят к макроэлементам (от греч. макрос — большой).

Остальные элементы, представ ленные в клетке сотыми и тысячными долями процента, входят в третью группу. Это микроэлементы (от греч. микро — малый).

Каких-либо элементов, присущих только живой природе, в клетке не обнаружено. Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Это указывает на единство живой и неживой природы.

Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров — белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор — в состав нуклеиновых кислот, железо — в состав гемоглобина, а магний — в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ.

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в со став неорганических веществ — минеральных солей и воды.

Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К+, Na+, Ca2+, Mg2+) и анионов ( HPO2-/4, H2PO-/4, СI-, НСО3), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды.

(У многих клеток среда слабощелочная и ее рН почти не изменяется, так как в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.)

Из неорганических веществ в живой природе огромную роль играет вода.

Без воды жизнь невозможна. Она составляет значительную массу большинства клеток. Много воды содержится в клетках мозга и эмбрионов человека: воды более 80%; в клетках жировой ткани — всего 40.% К старости содержание воды в клетках снижается. Человек, потерявший 20% воды, погибает.

Уникальные свойства воды определяют ее роль в организме. Она участвует в теплорегуляции, которая обусловлена высокой теплоемкостью воды — потреблением большого количества энергии при нагревании. Чем же определяется высокая теплоемкость воды?

В молекуле воды атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула воды полярна, так как атом кислорода имеет частично отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода имеет

частично положительный заряд. Между атомом кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется водородная связь. Водородные связи обеспечивают соединение большого числа молекул воды. При нагревании воды значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, что и определяет ее высокую теплоемкость.

Вода — хороший растворитель. Благодаря полярности ее молекулы взаимодействуют с положительно и отрицательно заряженными ионами, способствуя тем самым растворению вещества. По отношению к воде все вещества клетки делятся на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильными (от греч. гидро — вода и филео — люблю) называют вещества, которые растворяются в воде. К ним относят ионные соединения (например, соли) и некоторые неионные соединения (например, сахара).

Гидрофобными (от греч. гидро — вода и фобос — страх) называют вещества, нерастворимые в воде. К ним относят, например, липиды.

Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.

Тела живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов. В состав живых организмов входят неорганические вещества — вода и минеральные соли. Жизненно важные многочисленные функции воды в клетке обусловлены особенностями ее молекул: их полярностью, способностью образовывать водородные связи.

В клетках живых организмов встречается около 90 элементов, причем примерно 25 из обнаружены практически во всех клетках. По содержанию в клетке химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы(99%), микроэлементы(1%), ультрамикроэлементы(менее 0,001%).

К макроэлементам относятся кислород, углерод, водород, фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо.
К микроэлеметам относятся марганец, медь, цинк, йод, фтор.
К ультрамикроэлементам относятся серебро, золото, бром, селен.

Важнейшая функция белков — каталитическая. Белковые молекулы, увеличивающие на несколько порядков скорость химических реакции в клетке, называют ферментами. Ни один биохимический процесс в организме не происходит без участия ферментов.

В настоящее время обнаружено свыше 2000 ферментов. Их эффективность во много раз выше, чем эффективность неорганических катализаторов, используемых в производстве. Так, 1 мг железа в составе фермента каталазы заменяет 10 т неорганического железа. Каталаза увеличивает скорость разложения пероксида водорода (Н2О2) в 1011 раз. Фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты (СО2+Н2О = Н2СО3), ускоряет реакцию в 107 раз.
Важным свойством ферментов является специфичность их действия, каждый фермент катализирует только одну или небольшую группу сходных реакций.

Вещество, на которое воздействует фермент, называют субстратом. Структуры молекулы фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Этим объясняется специфичность действия ферментов. При соединении субстрата с ферментом пространственная структура фермента изменяется.

Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразить схематично:

Из схемы видно, что субстрат соединяется с ферментом с образованием фермент-субстратного комплекса. При этом субстрат превращается в новое вещество — продукт. На конечном этапе фермент освобождается от продукта и вновь вступает во взаимодействие с очередной молекулой субстрата.

Ферменты функционируют лишь при определенной температуре, концентрации веществ, кислотности среды. Изменение условий приводит к изменению третичной и четвертичной структуры белковой молекулы, а, следовательно, и к подавлению активности фермента. Как это происходит? Каталитической активностью обладает лишь определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром. Активный центр содержит от 3 до 12 аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи.

Под влиянием разных факторов изменяется структура молекулы фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра, и фермент теряет свою активность.

Ферменты — это белки, играющие роль биологических катализаторов. Благодаря ферментам на несколько порядков возрастает скорость химических реакций в клетках. Важное свойство ферментов — специфичность действия в определенных условиях.

Нуклеиновые кислоты были от крыты во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером, который выделил из ядер клеток вещество с высоким содержанием азота и фосфора и назвал его «нуклеином» (от лат. нуклеус — ядро).

В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация о строении и функционировании каждой клетки и всех живых существ на Земле. Существует два типа нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают видовой специфичностью, то есть организмам каждого вида присущ свой тип ДНК. Чтобы выяснить причины видовой специфичности, рассмотрим строение нуклеиновых кислот.

Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные цепи, состоящие из многих сотен и даже миллионов нуклеотидов. Любая нуклеиновая кислота содержит всего четыре типа нуклеотидов. Функции молекул нуклеиновых кислот зависят от их строения, входящих в их состав нуклеотидов, их числа в цепи и последовательности соединения в молекуле.

Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты. В состав каждого нуклеотида ДНК входит один из четырех типов азотистых оснований (аденин — А, тимин — Т, гуанин — Г или цитозин — Ц), а также угле вод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

Таким образом, нуклеотиды ДНК различаются лишь типом азотистого основания.

Молекула ДНК состоит из огромного множества нуклеотидов, соединенных в цепочку в определенной последовательности. Каждый вид молекулы ДНК имеет свойственное ей число и последовательность нуклеотидов.

Молекулы ДНК очень длинные. Например, для буквенной записи последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК из одной клетки человека (46 хромосом) потребовалась бы книга объемом около 820000 страниц. Чередование четырех типов нуклеотидов может образовать бесконечное множество вариантов молекул ДНК. Указанные особенности строения молекул ДНК позволяют им хранить огромный объем информации обо всех признаках организмов.

В 1953 г. американским биологом Дж. Уотсоном и английским физиком Ф. Криком была создана модель строения молекулы ДНК. Ученые установили, что каждая молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных между собой и спирально закрученных. Она имеет вид двойной спирали. В каждой цепи четыре типа нуклеотидов чередуются в определенной последовательности.

Нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов бактерий, грибов, растений, животных. Но он не меняется с возрастом, мало зависит от изменений окружающей среды. Нуклеотиды парные, то есть число адениновых нуклеотидов в любой молекуле ДНК равно числу тимидиновых нуклеотидов (А-Т), а число цитозиновых нуклеотидов равно числу гуаниновых нуклеотидов (Ц-Г). Это связано с тем, что соединение двух цепей между собой в молекуле ДНК подчиняется определенному правилу, а именно: аденин одной цепи всегда связан двумя водородными связями только с Тимином другой цепи, а гуанин — тремя водородными связями с цитозином, то есть нуклеотидные цепи одной молекулы ДНК комплементарны, дополняют друг друга.

ДНК содержат все бактерии, подавляющее большинство вирусов. Она обнаружена в ядрах клет?