В каких частях клетки содержится днк
Из чего состоит ДНК? Кому и когда удалось найти эту молекулу в клетках людей, и прочих живых существ? В чём уникальность открытия механизма наследования и чем это обернулось для всего человечества, читайте далее в этой статье.
История
Открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло в 1869 году. И принадлежит открытие Иоганну Фридриху Мишеру. Он был биологом из Швейцарии и занимался изучением гноя. По большому счёту открытие можно назвать случайным, и сам Мишер не понял, что именно он открыл. Он назвал своё открытие нуклеином. А позже нуклеиновой кислотой, когда у неё обнаружились кислотные свойства.
Назначение этой кислоты было загадочно и неизвестно, хотя некоторые учёные уже поднимали вопрос о наследственности и существовании механизмов наследования. Современное представление о том из чего состоит цепь ДНК, было сформировано Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году. Несколько ранее, в середине тридцатых годов советские ученые А.Р. Кезеля и А.Н. Белозерский доказали, что ДНК встречается у всех живых видов. До их работы считалось, что эта молекула присутствует только в организме животных видов, а в растениях присутствует только РНК.
Тот факт, что дезоксирибонуклеиновая кислота является механизмом сохранения наследственной информации, был открыт только в 1944 году группой исследователей из Освальда. Так, совокупными усильями разных учёных мира была приоткрыта тайна эволюционного процесса и механизмов в его основе.
Использование в медицине
Открытие того из чего состоит молекула ДНК дало толчок к развитию множества новых услуг и направлений экспериментальной медицины. Благодаря новым технологиям, которые стали возможны вследствие исследования генома, сегодня почти любому доступны:
- Диагностика заболеваний на сверхранней стадии. Анализ позволяет выявить инфекцию, даже если заболевание находится в инкубационном периоде, и нет ни каких симптомов.
- Определение отцовства. Так же материнства и прочих родственных связей. При этом различные тесты можно проводить, как с участием потенциальных родителей, так и без них.
- Тестирование на непереносимость пищевых продуктов. Какие вещества хорошо усваиваются организмом, какие плохо или не усваиваются вовсе, что вызывает аллергические реакции – всё это расскажут результаты индивидуального исследования.
- Анализ этнической принадлежности – с какими народами перекрещивались далекие предки, и какие национальности формируют вас сегодня.
- Исследование на наличие наследственных заболеваний, в том числе и спящих, которые передаются через поколение и более.
И это только самые востребованные тесты, имеющие коммерческий интерес и полезные для простого обывателя. Если говорить о перспективах лабораторных научных исследований, то многие учёные-генетики не без энтузиазма готовятся совершить самое великое открытие за всю человеческую историю — победить болезни и саму смерть.
Строение молекулы ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота состоит из двух цепочек нуклеотидов, которые объединены меж собой водородными связями и закручиваются в двойную спираль. Нуклеотиды в каждой цепи — это кирпичики, из которых складываются гены, биологическая их кодировка. Для каждого гена его место положения в цепочке и порядок нуклеотидов условно одинаков. Условно поскольку у одного гена возможны вариации, различное расположение некоторых нуклеотидов в составе гена. Но, в таком случае вместе со сменой структуры меняется и функциональность самого гена.
Путь от цепочки к хромосоме
У всех живых организмов клеточная структура и эти клетки содержат внутри себя ядро – такие клетки называются эукариоты. У бактерий и архей (древних одноклеточных организмов) такого ядра нет. Так же ядра в клетке нет у вирусов и вироидов ( инфекционных агентов, вызывающих болезни растений), но считать ли их живыми до сих пор вопрос дискуссионный.
Ядра клеток содержат в себе структуры, хранящие наследственную информацию – хромосомы. А вот сама хромосома и содержит внутри себя спиральную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая осуществляет функцию хранения наследственной информации.
Процесс упаковки ДНК спиралей
Спираль генов, как не казалась бы она мала, всё же очень большая для микромира. Вероятно отсюда и её спиральная форма, которая позволяет ей быть более компактной. Помимо обычной спиральности ДНК может закручиваться и в форму суперспирали. Суперспирализация – это явление, когда двойная спираль накручивается на гистоновый белок, и получается, что-то вроде биокатушки. Если закручивание в двойную спираль укорачивает цепочку генов в 5 или 6 раз, то суперспирализация доводит это сокращение до 30 раз.
Как гены связаны с ДНК
Гены это самая изученная и расшифрованная на сегодня часть ДНК. Так, каково строение генов ДНК? Фактически цепочки нуклеотидов из генов и состоят. Именно гены определяют цвет глаз, волос, форму черепа, рост, группу крови и прочие физиологические качества.
Остаётся ещё много областей генома, функциональность которых не известна. Всё, что пока о них могут сказать генетики, это то, что данные области генома не участвую (по крайней мере, напрямую) в формировании организма и его функционировании.
Хромосома: определение и описание
Считается, что хромосомы это нуклеотидные биомеханизмы, которые находятся в ядре клетки. Эти биомеханизмы являются носителями и передатчиками наследственной информации, и в свою очередь содержат в себе двойную спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Чем отличаются хромосомы друг от друга
На примере Х хромосомы, цепи нуклеотидов могут пересекаться внутри хромосомы различно:
- В перекрестии хромосомы, пересекаясь точно посередине друг друга.
- Там же, но пересекаясь не точно.
Во втором случае одни концы получившегося перекрестия будут длиннее, а другие короче. Называют такие концы длинным и коротким плечом хромосомы. Отсюда и форма Y хромосомы, у которой ярко выражены длинные плечи, а короткие настолько не велики, что схематически не указываются.
Науке известных хромосомы трёх основных форм:
- Х хромосома, которая встречается у женщин и у мужчин.
- Y хромосома, встречающаяся только у мужчин.
- В хромосома изредка встречается у растений, и считается отмирающей, поскольку редко наследуется. Обычно её наличие в растении связывают с его слабостью и болезненностью.
Всего в клетке человеческого организма находится 46 парных хромосом: 22 пары «обычных» и одна пара половых (ХХ у женщин и XY у мужчин). Интересный факт – если добавить или отнять всего одну пару хромосом, человек может стать помидором или орангутангом.
Наследственные болезни
Генетический код это очень многофункциональная и противоречивая структура. С одной стороны он должен хранить информацию в неизменном эталонном виде, и эта функция проявляется возможностью ДНК восстанавливать искусственные повреждения в следующем поколении. С другой же стороны, геном может быть либо поврежден, либо измениться сам, что называют мутацией.
Мутации естественное свойство генов, и последствия этих мутация бывают, как отрицательные, так и положительные. Хоть мутации и называют поломками, но это определение спорно. Некоторые мутации в чём-то ослабляют организм – именно эти мутации и ищут во время тестирования на непереносимость пищевых продуктов.
Такие мутации создают повышенные риски возникновения, какого либо заболевания при соблюдении некоторых факторов. Соответственно, если исключить эти факторы из своей жизни, то с ними будут исключены и вероятности возникновения заболевания.
Существуют и более сложные повреждения ДНК человека, которые вызывают врождённые наследственные заболевания. Например, одна лишняя хромосома в 21 паре вызывает у человека болезнь Дауна с самого рождения.
Расшифровка ДНК
Расшифровка ДНК клетки это большое и дорогостоящее исследование всех известных человеческих генов. А после завершения исследовательского проекта «Геном человека» это порядка 25 тысяч генов. И хоть расшифровка значительно подешевела, и за прошедший десяток лет упала со ста тысяч долларов до двух тысяч на одного человека, далеко не каждому это покажется приемлемой ценой.
Для удешевления медицинских и генетических исследований всю расшифровку генома разделили тематически. Так стали появляться различные тестирования, по этому принципу они и планируются – выборка генов отвечающих за интересующие тематику исследования процессы.
Синтез РНК
Нуклеотиды (из которых формируются гены) подразделяются на 4 образующих элемента: аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые содержат остатки фосфора, пептозы и азотистого основания. В цепочках ДНК эти нуклеотиды располагаются параллельно друг другу строгими парами: аденин только с тимином, а гуанин только с цитозином.
Необходимо подчеркнуть, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты ни целиком, ни частично не может (или не должна) покинуть пределов ядра. РНК выступает в роли копии участка цепи генома, которая способна покинуть ядро, попасть в саму клетку и воздействовать на идущие в ней процессы. И происходит это удивительным образом:
- Спираль генов раскручивается на одном из своих участков и формирует развернутые нити обоих цепочек генов.
- К развернутому участку подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует копию.
- У копии есть одно ключевое отличие от оригинальной структуры нуклеотидов: тимин во всех парах ней заменён на урацил. Это и позволяет ей покидать пространство ядра клетки.
Синтез белка при помощи генов
Основное взаимодействие, которое происходит между генами и клеткой заключается в том, что разные гены могут заставлять клетку синтезировать различные белки с самыми неожиданными свойствами. Так группа генов участвующих в процессе старения клетки может, как заставить её стареть быстрее, так и омолаживаться. Тоесть, генов не только много, каждый из них может спровоцировать синтез нескольких видов белка.
Факты о ДНК
- Редко, но бывают случаи, когда при беременности сначала развиваются близнецы, но потом они сливаются в единого человека. У таких людей двойное ДНК.
- Иногда и генная криминалистика даёт сбои. Так, после пересадки костного мозга в теле пациента присутствует некоторое количество ДНК донора, и это может привести к ошибке тестирования.
- Самым похожим на человеческий геном ДНК обладают земляные черви.
- Вся цифровая информация в мире могла бы поместиться в двух граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Григорий Родбел · 28 декабря 2015
9,5 K
Во многих соматических клетках человека содержится диплоидный (двойной) набор хромосом. Однако существуют клетки в которых набор хромосом больше. Это происходит, например, если ДНК претерпевает удвоение, однако клетка не делится — так появляются клетки с набором хромосом большим чем 2n — полиплоидные (например, мегакариоциты). Или же при слиянии клеток (например, макрофагов) могут образовываться клетки с многочисленными ядрами, но общей цитоплазматической мембраной. Другой пример клеток с множеством ядер — волокна скелетных мышц; такие клетки называются синцитий. Раковые клетки также известны нестабильностью генетической информации (в следствие нарушений механизмов контроля — checkpoint, и др.); у них можно встретить как полиплоидизацию — увеличение наборов хромосом; так и «лишние» отдельные хромосомы или недостачу хромосом (анеуплоидность); вследствие, например, нарушения расхождения хромосом при делении в при дефиците checkpoint регуляции клеточного цикла. Также раковые клетки иногда сливаются друг с другом или даже с макрофагами — опять же получается клетка с большим набором хромосом. Ну и как здесь уже упомянули, некоторые типы клеток в зрелом состоянии ДНК не имеют. У человека это — эритроциты и тромбоциты (последние представляют собой кусочки цитоплазмы с мембраной отщепляющиеся от гигантских полиплоидных мегакариоцитов).
В клетках бактерий — меньше всего ДНК. Бактерии проще устроены, чем клетки животных или человека. Соответственно, и генетического материала у них меньше. В клетках радиолярий и полиплоидных растений (честно, не знаю, у кого больше) — больше всего ДНК.
Врач травматолог-ортопед, аспирант, Главный редактор медицинского проекта…
В каждой клетке (кроме половых — сперматозоидов в вашем случае) содержится одинаковое количество ДНК. В половых клетках — в два раза меньше. В разных клетках разное количество ДНК используется, т.к. у них разные функции, однако набор генов везде одинаковый
А как же красные кровяные клетки?
Если бы не вымерли динозавры, то откуда бы появились люди? Выходит, что эволюция никогда не вышла бы из этого тупика и жизнь не достигла своей самореализации, если бы не случайное падение метеорита?
Так вышло, что разбираюсь во многих областях.
Веду канал «Ходячая энциклопедия»…
Вымирание динозавров не связано с метеоритами. Максимум, это лишь слегка ускорило процесс.
Крупномасштабные изменения в биосфере шли ещё с середины мелового периода. Последовательно сменились растительный покров, фауна насекомых, мелкие насекомоядные животные, средний размерный класс… В итоге перемены накрыли и крупный размерный класс — архозавров, к которым принадлежали и группы, объединяемые под внесистематическим наименованием «динозавры».
Сначала появились покрытосеменные растения. Насекомые для них стали уже не врагом, который ими питался, а симбионтом-опылителем. Симбиоз растений с насекомыми резко изменил фауну последних: радикально поменялся видовой состав, численность их возросла. В итоге процветать начали мелкие насекомоядные животные, в первую очередь — ранние млекопитающие. Это привело к тому, что среди них появились более крупные формы: первые хищники, охотящиеся по ночам на других млекопитающих.
Ну, а потом вдруг оказалось, что детёныш динозавра с точки зрения хищника-млекопитающего — просто крупная глупая медлительная ящерица… Глупая — из-за малого мозга, медлительная — из-за нетеплокровности, да ещё и беззащитная — из-за того, что взрослые динозавры в тысячи раз больше своей молоди (родители скорее сами передавят детёнышей, чем защитят их от сравнимого с ними по размерам хищника).
При этом вылупляющиеся из яиц детёныши динозавров стать крупнее не могли: большее по размеру яйцо или раскололось бы под собственным весом, или имело бы такую толстую скорлупу, что детёныш не смог бы сквозь неё дышать.
В результате разнообразие динозавров к концу мелового периода стало сокращаться. Среди них стали появляться теплокровные формы — но они уже не могли быть гигантскими (энергии бы не хватило).
Астероид, таким образом, уже ничего не решал: вымирание холоднокровных гигантов было предрешено.
Мелкие теплокровные формы динозавров тогда не вымерли. Они были вытеснены млекопитающими позже из-за того, что имели менее совершенную систему терморегуляции. Удержались они только в среде, где энерговыделение тела всё равно очень большое и терморегуляция не имеет особого значения — в воздухе. Эта линия породила птиц.
Прочитать ещё 14 ответов
Насколько точно по тесту ДНК можно узнать, откуда родом были мои предки?
Мой канал на Яндекс-Дзен
«Генеалогия для новичков» — https://clc.to/stas01 .
Теоретически да. Практически — сомнительно. Ведь предков у каждого человека становится в два раза больше в каждом поколении. На каком именно поколении будет производиться исследование? Сто лет назад? Двести пятьдесят лет назад?
Представим, что у одного человека по материнской линии предки в последние 500 лет жили во Владимирской области, а по отцовской — во Франции. Тогда да, возможно.
Возможно ли существование двух и более абсолютно одинаковых по структуре ДНК, но не родственных, людей?
генетик, ведущий научный сотрудник медико-генетического центра Genotek
Теоретически возможно, но вероятность такого события будет ничтожно мала, так что вряд ли когда-либо реализуется. ДНК в одной клетке человека состоит из примерно 6 миллиардов нуклеотидов. Примерно каждый тысячный нуклеотид может отличаться у двух разных людей. Поэтому ДНК двух людей в среднем отличается примерно в 6 миллионах позиций.
Существуют генетические тесты, способные всего по 50 генетическим маркерам практически однозначно определить человека. Вероятность случайного совпадения результатов такого теста для неродственных людей 1 к 1019 , что значительно больше числа живущих на планете людей.
Прочитать ещё 1 ответ
С появлением первых «ГМО-детей» в Китае и вообще потоком новостей о редактировании ДНК стало ясно, что разбираться в генетике жизненно важно каждому из нас. «Лаба» начинает серию простых гайдов, чтобы разобраться в этой науке. А то как-то совсем тревожно.
Что такоек ДНК?
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это макромолекула, главное хранилище наследственной информации и генетической программы развития и функционирования живого организма.
ДНК имеет двухцепочечную структуру, где каждая цепочка представляет собой последовательность нуклеотидов: аденина, тимина, цитозина и гуанина. Нуклеотиды работают как небольшие «магнитики», которые сцепляют эти две цепочки водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином.
Длина ДНК обычно измеряется в числе пар нуклеотидов. У человека их около 3 миллиардов. ДНК человека сохраняется в ядре любой человеческой клетки в виде набора из 23 (в норме) хромосом.
И для чего нужна ДНК?
Соединенные вместе цепочки (знаменитая «двойная спираль» ДНК) представляют собой нечто похожее на винтовую лестницу. Каждая ступенька – это та самая пара нуклеотидов, например, аденин — тимин.
Крепления между ступеньками довольно прочные, а вот сами ступеньки – шаткие и легко переламываются, то есть разъединяются. И тогда на одной цепочке остается аденин, а на другой — тимин.
Это нужно для того, чтобы специальные белки могли «расплетать» ДНК и собирать на основе каждой цепочки комплементарную последовательности ДНК другую цепочку — РНК.
Так, не торопитесь. Что такое РНК?
РНК (рибонуклеиновая кислота) – это одноцепочечная последовательность, которая может выполнять совершенно разные задачи. РНК – своего рода зеркальное отражение ДНК. Если в ДНК на одном месте стоит аденин, то в РНК на том же месте будет тимин, и наоборот. Помните: нуклеотиды похожи на магнитики и соединяются только по парам.
Тем же самым зеркальным образом в РНК сохраняется та информация, что есть в ДНК.
А РНК чем занимается?
ДНК находится в ядре клетки, в специальных упаковках-хромосомах. А вот основная работа по синтезу белков происходит в цитоплазме клетки, где белки собирает специальная «машинка» –рибосома. Она связана с РНК.
Говоря по-простому, дело обстоит так. Белок расплетает ДНК, копирует информацию на РНК (зеркальным образом), а РНК доставляет информацию рибосоме.
В процессе этой доставки («процессинга») РНК проходит через целую последовательность преобразований, в частности, из нее вырезается информация, которая рибосоме не нужна.
Рибосома двигается по РНК и строит комплементарную цепочку. При этом она еще раз зеркально отражает информацию, возвращая ей изначальную ДНК-последовательность. И уже по комплементарной цепочке, расшифровывая генетический код, рибосома строит из подходящих аминокислот новые белки.
Зачем нужны белки?
Для того, чтобы клетка жила.
Некоторые белки поддерживают метаболизм клетки. Другие – вновь расплетают ДНК, строят РНК и доставляют информацию рибосоме. Третьи – организуют и реализуют деление клетки. Всю необходимую работу внутри клетки делают именно белки.
Если опять применить компьютерную метафору (надеюсь, ученые нас не побьют за огрубление), то ядро клетки с ДНК внутри, — это такой харддиск, где хранятся и данные, и программы.
Белки – это как раз программы, которые автоматически загружаются с харддиска и обрабатывают полученные данные.
Хорошо, а гены и ДНК – это не одно и то же?
Гены – часть цепочки ДНК. Это специальным образом оформленные – с концом и началом – отрезки цепочки, в которых закодированы белки и РНК. Внутри каждого гена находится особая последовательность нуклеотидов (например, ген CCR5 состоит 339 нуклеотидов).
Все гены, кодирующие белки, составляют около 2% ДНК. Еще 1% генов отвечают за кодирование РНК. А около 80% генов внутри ДНК выполняют вспомогательные функции, в частности, упаковки ДНК в ядре. Функции почти 20% ДНК в настоящее время неясны.
Внутри гена есть генетический код, правильно?
Да. Чтобы нормально синтезировать нужный белок и запустить его работу, информацию из ДНК надо доставить рибосоме, которая непосредственно занимается сборкой. Рибосома собирает белки из 20 аминокислот, а в ДНК только четыре нуклеотида.
Четырьмя нуклеотидами невозможно закодировать все 20 аминокислот – не хватает вариантов. Как же быть?
Спасает в этой ситуации как раз тот самый генетический код. Точнее, процесс кодирования с помощью нуклеотидов, выстроенных в определенную последовательность. Аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов в гене. Это позволяет «запрограммировать» не только 20, а 64 аминокислоты (в природе столько не нужно, так ученые уже пытаются понять, что еще могут делать аминокислоты)!
Так как можно «запрограммировать» аминокислоту?
Рибосома сдвигает по РНК считывающую рамку. Когда она считывает старт-кодон (это фиксированный набор из трех аминокислот, который дает команду: «Начало»), начинается считывание информации, необходимой для синтеза белка.
Рамка сдвигается – всегда на три нуклеотида – и рибосома поэтапно создает нужную аминокислоту. Когда рамка считывает стоп-кодон, синтез завершается.
Если при всей этой довольно сложной (и потому не самой надежной) процедуре будет потерян хотя бы один нуклеотид, рамка сдвинется неправильно и все последующие аминокислоты будут считаны неверно. Белок в таких условиях либо не удастся построить, либо он так изменится, что перестанет выполнять свои функции.
Описанная выше работа генетического кода – одно из древнейших изобретений эволюции, он работает практически одинаково как у человека, так и у бактерии.
Чем ген отличается от генома?
Геном – это весь наследственный материал организма, который содержит 3,1 млрд пар нуклеотидов.
Как редактируют ДНК?
Об этом мы совсем скоро напишем отдельный гайд. Все-таки процесс не самый простой, а вы, наверное, уже устали читать. Попробуем объяснить основную идею редактирования ДНК.
Раз уж мы знаем, где на «харддиске» человеческой клетки хранится кодирующая белки и РНК информация, давайте мы ее немного поправим! Это позволит улучшить всю работу клеток и всего организма. Но на этом пути очень много опасностей. О каких-то мы уже знаем, другие невозможно вычислить. По крайней мере, пока.