Pembiakan sendiri bahan genetik. Replikasi.
Prinsip merekod maklumat genetik. Kod genetik dan sifatnya.
Kod genetik- ciri kaedah semua organisma hidup mengekod urutan asid amino protein menggunakan urutan nukleotida. Untuk membina protein secara semula jadi, 20 asid amino berbeza digunakan. Setiap protein ialah rantai atau beberapa rantai dalam urutan yang ditetapkan dengan ketat. Urutan ini menentukan struktur protein, dan seterusnya sifatnya. Set asid amino adalah universal untuk hampir semua organisma hidup.
Sifat gen. kod:
Triplety - gabungan 3 nukleotida
Kesinambungan - tiada tanda baca antara kembar tiga, i.e. maklumat dibaca secara berterusan
Tidak bertindih - nukleotida yang sama tidak boleh menjadi sebahagian daripada beberapa triplet secara serentak
Kekhususan - kodon tertentu sepadan dengan hanya 1 asid amino
Degenerasi - asid amino yang sama boleh sepadan dengan beberapa kodon
Kesejagatan - kod genetik berfungsi sama dalam organisma yang berbeza tahap kerumitan
Kekebalan bunyi
Semasa proses replikasi bahan genetik, ikatan hidrogen antara bes nitrogen dipecahkan, dan dua helai DNA terbentuk daripada heliks berganda. Setiap daripada mereka menjadi templat untuk sintesis untaian pelengkap DNA yang lain. Yang terakhir, melalui ikatan hidrogen, menyambung kepada DNA templat. Jadi, mana-mana molekul DNA anak perempuan terdiri daripada satu rantai polinukleotida lama dan satu baru. Akibatnya, sel anak menerima maklumat genetik yang sama seperti sel induk. Pengekalan keadaan ini dipastikan oleh mekanisme pembetulan diri yang dijalankan oleh polimerase DNA. Keupayaan bahan genetik, DNA, untuk membiak sendiri (replikasi) mendasari pembiakan organisma hidup, penghantaran sifat keturunan dari generasi ke generasi dan perkembangan organisma multisel daripada zigot.
Perubahan yang tidak diperbetulkan dalam struktur kimia gen, dihasilkan semula dalam kitaran replikasi berturut-turut dan dimanifestasikan dalam keturunan dalam bentuk varian baru ciri, dipanggil mutasi gen.
Perubahan dalam struktur DNA boleh dibahagikan kepada 3 kumpulan: 1. Penggantian beberapa bes dengan yang lain.
2. anjakan bingkai bacaan apabila bilangan pasangan nukleotida dalam gen berubah.
3. perubahan dalam susunan urutan nukleotida dalam gen.
1. Penggantian beberapa tapak dengan yang lain. Mungkin berlaku secara tidak sengaja atau di bawah pengaruh agen kimia tertentu. Jika bentuk asas yang berubah tidak disedari semasa pembaikan, maka semasa kitaran replikasi seterusnya ia boleh melekatkan nukleotida lain pada dirinya sendiri.
Sebab lain mungkin adalah kemasukan yang salah dalam rantai DNA tersintesis nukleotida yang membawa bentuk asas yang diubah suai atau analognya. Jika ralat ini masih tidak dapat dikesan semasa pembaikan, maka pangkalan yang diubah dimasukkan dalam proses replikasi, yang membawa kepada penggantian satu pasangan dengan yang lain.
Akibatnya, triplet baru terbentuk dalam DNA. Jika triplet ini mengekod asid amino yang sama, maka perubahan itu tidak akan menjejaskan struktur peptida (kemerosotan kod genetik). Jika triplet yang baru muncul mengodkan asid amino yang berbeza, struktur rantai peptida dan sifat protein berubah.
2. anjakan bingkai bacaan. Mutasi ini berlaku disebabkan oleh kehilangan (penghapusan) atau pemasukan satu atau lebih pasangan nukleotida pelengkap ke dalam jujukan nukleotida DNA. Sebabnya mungkin kesan ke atas bahan genetik bahan kimia tertentu (sebatian acridine). Sebilangan besar mutasi berlaku disebabkan oleh kemasukan unsur genetik mudah alih - transposon - dalam DNA. Ralat semasa penggabungan semula disebabkan persilangan intragenik yang tidak sama mungkin juga menjadi punca.
Dengan mutasi sedemikian, makna maklumat biologi yang direkodkan dalam DNA ini berubah.
3. perubahan dalam susunan urutan nukleotida. Mutasi jenis ini berlaku disebabkan bahagian DNA berputar 180ᵒ (penyongsangan). Ini berlaku kerana molekul DNA membentuk gelung di mana replikasi berjalan ke arah yang salah. Dalam kawasan terbalik, bacaan maklumat terganggu dan urutan asid amino protein terganggu.
Sebab:-persilangan tidak sama antara kromosom homolog
Persilangan intrachromosomal
Kromosom pecah
Pecah diikuti dengan penyambungan unsur kromosom
Menyalin gen dan memindahkannya ke bahagian lain kromosom
Watson Dan Jerit menunjukkan bahawa DNA terdiri daripada dua rantai polinukleotida. Setiap rantai dipintal menjadi lingkaran ke kanan, dan kedua-duanya dipintal bersama, iaitu, dipintal ke kanan di sekeliling paksi yang sama, membentuk heliks berganda.
Rantai adalah antiselari, iaitu, diarahkan ke arah yang bertentangan. Setiap helai DNA terdiri daripada tulang belakang gula-fosfat di mana tapaknya terletak berserenjang dengan paksi panjang heliks berganda; Tapak bertentangan dua helai bertentangan heliks berganda disambungkan oleh ikatan hidrogen.
Tulang belakang gula fosfat dua helai heliks berganda jelas kelihatan pada model DNA spatial. Jarak antara tulang belakang gula-fosfat kedua-dua rantai adalah malar dan sama dengan jarak yang diduduki oleh sepasang bes, iaitu, satu purin dan satu pirimidin. Dua purin akan mengambil terlalu banyak ruang dan dua pirimidin akan mengambil terlalu sedikit ruang untuk mengisi jurang antara dua rantai.
Di sepanjang paksi molekul, pasangan bes bersebelahan terletak pada jarak 0.34 nm antara satu sama lain, yang menerangkan keberkalaan yang dikesan dalam corak difraksi sinar-X. Revolusi penuh lingkaran menyumbang 3.4 nm, iaitu, 10 pasangan asas. Tiada sekatan mengenai jujukan nukleotida dalam satu rantai, tetapi disebabkan peraturan pasangan bes, jujukan dalam satu rantai ini menentukan jujukan nukleotida dalam rantai yang lain. Oleh itu kita katakan bahawa dua helai heliks berganda adalah saling melengkapi antara satu sama lain.
Watson Dan Jerit menerbitkan mesej tentang model DNA anda dalam majalah "" pada tahun 1953, dan pada tahun 1962 mereka, bersama dengan Maurice Wilkins, telah dianugerahkan Hadiah Nobel untuk kerja ini. Pada tahun yang sama, Kendrew dan Perutz menerima Hadiah Nobel untuk kerja mereka dalam menentukan struktur tiga dimensi protein, juga dilakukan oleh analisis pembelauan sinar-X. Rosalind Franklin, yang meninggal dunia akibat kanser sebelum hadiah dianugerahkan, tidak termasuk sebagai penerima kerana Hadiah Nobel tidak dianugerahkan secara anumerta.
Untuk mengiktiraf struktur yang dicadangkan sebagai bahan genetik, adalah perlu untuk menunjukkan bahawa ia mampu: 1) membawa maklumat yang dikodkan dan 2) menghasilkan semula dengan tepat (meniru). Watson dan Crick sedar bahawa model mereka memenuhi keperluan ini. Pada penghujung kertas pertama mereka, mereka dengan berhati-hati menyatakan: "Ia tidak terlepas daripada perhatian kami bahawa pasangan asas khusus yang kami postulatkan serta-merta membolehkan kami membuat postulat mekanisme penyalinan yang mungkin untuk bahan genetik."
Dalam kertas kedua, yang diterbitkan pada tahun 1953, mereka membincangkan implikasi genetik model mereka. Penemuan ini menunjukkan bagaimana struktur eksplisit mungkin dikaitkan dengan fungsi yang sudah berada di peringkat molekul, memberikan dorongan yang kuat kepada perkembangan biologi molekul.
MOSCOW, 25 April - RIA Novosti, Tatyana Pichugina. Tepat 65 tahun yang lalu, saintis British James Watson dan Francis Crick menerbitkan artikel mengenai pentafsiran struktur DNA, meletakkan asas sains baharu - biologi molekul. Penemuan ini banyak berubah dalam kehidupan manusia. RIA Novosti bercakap tentang sifat molekul DNA dan mengapa ia sangat penting.
Pada separuh kedua abad ke-19, biologi adalah sains yang sangat muda. Para saintis baru mula mengkaji sel, dan idea tentang keturunan, walaupun telah dirumuskan oleh Gregor Mendel, tidak diterima secara meluas.
Pada musim bunga tahun 1868, seorang doktor muda Switzerland, Friedrich Miescher, tiba di Universiti Tübingen (Jerman) untuk terlibat dalam kerja saintifik. Dia berhasrat untuk mengetahui bahan apa yang diperbuat daripada sel. Untuk eksperimen saya memilih leukosit, yang mudah diperoleh daripada nanah.
Memisahkan nukleus daripada protoplasma, protein dan lemak, Miescher menemui sebatian dengan kandungan fosforus yang tinggi. Dia memanggil molekul ini nuklein ("nukleus" dalam bahasa Latin - nukleus).
Kompaun ini mempamerkan sifat berasid, itulah sebabnya istilah "asid nukleik" timbul. Awalannya "deoxyribo" bermaksud molekul itu mengandungi kumpulan-H dan gula. Kemudian ternyata ia sebenarnya garam, tetapi mereka tidak menukar nama.
Pada awal abad ke-20, saintis sudah mengetahui bahawa nuklein adalah polimer (iaitu, molekul fleksibel yang sangat panjang bagi unit berulang), unit tersebut terdiri daripada empat bes nitrogen (adenine, timin, guanin dan sitosin), dan nuklein. terkandung dalam kromosom - struktur padat yang berlaku dalam sel yang membahagi. Keupayaan mereka untuk menghantar ciri-ciri keturunan telah ditunjukkan oleh ahli genetik Amerika Thomas Morgan dalam eksperimen pada lalat buah.
Model yang menerangkan gen
Tetapi apa yang dilakukan oleh asid deoksiribonukleik, atau ringkasan DNA, dalam nukleus sel tidak difahami untuk masa yang lama. Ia dianggap memainkan beberapa peranan struktur dalam kromosom. Unit keturunan—gen—disebabkan oleh sifat protein. Penemuan itu dibuat oleh penyelidik Amerika Oswald Avery, yang secara eksperimen membuktikan bahawa bahan genetik dipindahkan daripada bakteria ke bakteria melalui DNA.
Ia menjadi jelas bahawa DNA perlu dikaji. Tetapi bagaimana? Pada masa itu, hanya X-ray tersedia untuk saintis. Untuk menerangi molekul biologi dengannya, mereka perlu dikristalkan, dan ini sukar. Struktur molekul protein telah diuraikan daripada corak difraksi sinar-X di Makmal Cavendish (Cambridge, UK). Penyelidik muda yang bekerja di sana, James Watson dan Francis Crick, tidak mempunyai data eksperimen mereka sendiri tentang DNA, jadi mereka menggunakan imej X-ray rakan sekerja dari King's College Maurice Wilkins dan Rosalind Franklin.
Watson dan Crick mencadangkan model struktur DNA yang betul-betul sepadan dengan corak sinar-X: dua helai selari dipintal menjadi heliks tangan kanan. Setiap rantai terdiri daripada set rawak asas nitrogen yang digantung pada tulang belakang gula dan fosfatnya, dan disatukan oleh ikatan hidrogen antara bes. Selain itu, adenine hanya bergabung dengan timin, dan guanin dengan sitosin. Peraturan ini dipanggil prinsip saling melengkapi.
Model Watson dan Crick menjelaskan empat fungsi utama DNA: replikasi bahan genetik, kekhususannya, penyimpanan maklumat dalam molekul, dan keupayaannya untuk bermutasi.
Para saintis menerbitkan penemuan mereka dalam jurnal Nature pada 25 April 1953. Sepuluh tahun kemudian, bersama dengan Maurice Wilkins, mereka dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Biologi (Rosalind Franklin meninggal dunia pada tahun 1958 akibat kanser pada usia 37 tahun).
“Kini, lebih setengah abad kemudian, kita boleh menyatakan bahawa penemuan struktur DNA memainkan peranan yang sama dalam pembangunan biologi seperti penemuan nukleus atom dalam fizik Penjelasan struktur atom membawa kepada kelahiran fizik kuantum yang baru, dan penemuan struktur DNA membawa kepada kelahiran yang baru, biologi molekul," tulis Maxim Frank-Kamenetsky, ahli genetik yang cemerlang, penyelidik DNA, dan pengarang buku "The Molekul Paling Penting."
Kod genetik
Sekarang yang tinggal hanyalah untuk mengetahui bagaimana molekul ini berfungsi. Telah diketahui bahawa DNA mengandungi arahan untuk sintesis protein selular, yang melakukan semua kerja dalam sel. Protein ialah polimer yang terdiri daripada set berulang (jujukan) asid amino. Lebih-lebih lagi, terdapat hanya dua puluh asid amino. Spesies haiwan berbeza antara satu sama lain dalam set protein dalam sel mereka, iaitu, dalam urutan asid amino yang berbeza. Genetik mendakwa bahawa urutan ini ditentukan oleh gen, yang kemudiannya dipercayai berfungsi sebagai blok bangunan kehidupan. Tetapi tiada siapa yang tahu dengan tepat apakah gen itu.
Kejelasan dibawa oleh pengarang teori Big Bang, ahli fizik Georgiy Gamow, seorang pekerja Universiti George Washington (AS). Berdasarkan model heliks DNA beruntai dua Watson dan Crick, beliau mencadangkan bahawa gen ialah bahagian DNA, iaitu urutan pautan tertentu - nukleotida. Oleh kerana setiap nukleotida adalah salah satu daripada empat bes nitrogen, kita hanya perlu memikirkan bagaimana empat elemen kod untuk dua puluh. Ini adalah idea kod genetik.
Menjelang awal 1960-an, telah ditubuhkan bahawa protein disintesis daripada asid amino dalam ribosom, sejenis "kilang" di dalam sel. Untuk memulakan sintesis protein, enzim menghampiri DNA, mengenali kawasan tertentu pada permulaan gen, mensintesis salinan gen dalam bentuk RNA kecil (ia dipanggil templat), kemudian protein itu tumbuh dalam ribosom daripada asid amino.
Mereka juga mendapati bahawa kod genetik adalah tiga huruf. Ini bermakna satu asid amino sepadan dengan tiga nukleotida. Unit kod dipanggil kodon. Dalam ribosom, maklumat daripada mRNA dibaca kodon oleh kodon, secara berurutan. Dan setiap daripada mereka sepadan dengan beberapa asid amino. Apakah rupa sifir tersebut?
Soalan ini dijawab oleh Marshall Nirenberg dan Heinrich Mattei dari USA. Pada tahun 1961, mereka mula-mula melaporkan keputusan mereka di kongres biokimia di Moscow. Menjelang tahun 1967, kod genetik telah diuraikan sepenuhnya. Ia ternyata universal untuk semua sel semua organisma, yang mempunyai akibat yang luas untuk sains.
Penemuan struktur DNA dan kod genetik mengubah hala sepenuhnya penyelidikan biologi. Hakikat bahawa setiap individu mempunyai urutan DNA yang unik telah merevolusikan sains forensik. Mentafsir genom manusia telah memberikan ahli antropologi kaedah yang sama sekali baru untuk mengkaji evolusi spesies kita. Editor DNA yang dicipta baru-baru ini CRISPR-Cas mempunyai kejuruteraan genetik yang sangat maju. Nampaknya, molekul ini mengandungi penyelesaian kepada masalah kemanusiaan yang paling mendesak: kanser, penyakit genetik, penuaan.
Menurut struktur kimianya, DNA ( asid deoksiribonukleik) ialah biopolimer, yang mana monomernya nukleotida. Iaitu, DNA adalah polinukleotida. Selain itu, molekul DNA biasanya terdiri daripada dua rantai yang dipintal relatif antara satu sama lain di sepanjang heliks (sering dipanggil "terpintal heliks") dan disambungkan oleh ikatan hidrogen.
Rantai boleh dipintal kedua-dua ke kiri dan ke kanan (paling kerap) sisi.
Sesetengah virus mempunyai DNA untai tunggal.
Setiap nukleotida DNA terdiri daripada 1) bes nitrogen, 2) deoksiribosa, 3) residu asid fosforik.
Heliks DNA dua tangan kanan
Komposisi DNA termasuk yang berikut: adenine, guanin, timin Dan sitosin. Adenine dan guanine adalah purin, dan timin dan sitosin - kepada pirimidin. Kadangkala DNA mengandungi urasil, yang biasanya merupakan ciri RNA, di mana ia menggantikan timin.
Bes nitrogen satu rantai molekul DNA disambungkan ke bes nitrogen lain dengan ketat mengikut prinsip saling melengkapi: adenine hanya dengan timin (membentuk dua ikatan hidrogen antara satu sama lain), dan guanin hanya dengan sitosin (tiga ikatan).
Bes nitrogen dalam nukleotida itu sendiri disambungkan kepada atom karbon pertama dalam bentuk kitaran deoksiribosa, iaitu pentosa (karbohidrat dengan lima atom karbon). Ikatannya adalah kovalen, glikosidik (C-N). Tidak seperti ribosa, deoksiribosa kekurangan salah satu kumpulan hidroksilnya. Cincin deoksiribosa dibentuk oleh empat atom karbon dan satu atom oksigen. Atom karbon kelima berada di luar cincin dan disambungkan melalui atom oksigen ke residu asid fosforik. Juga, melalui atom oksigen pada atom karbon ketiga, sisa asid fosforik nukleotida jiran dilekatkan.
Oleh itu, dalam satu untaian DNA, nukleotida bersebelahan dikaitkan antara satu sama lain melalui ikatan kovalen antara deoksiribosa dan asid fosforik (ikatan fosfodiester). Tulang belakang fosfat-deoksiribosa terbentuk. Diarahkan berserenjang dengannya, ke arah rantai DNA yang lain, adalah bes nitrogen, yang disambungkan ke pangkalan rantai kedua oleh ikatan hidrogen.
Struktur DNA sedemikian rupa sehingga tulang belakang rantai yang disambungkan oleh ikatan hidrogen diarahkan ke arah yang berbeza (mereka mengatakan "berbilang arah", "antiparallel"). Di sebelah di mana satu berakhir dengan asid fosforik yang disambungkan kepada atom karbon kelima deoksiribosa, satu lagi berakhir dengan atom karbon ketiga "bebas". Iaitu, rangka satu rantai terbalik berbanding yang lain. Oleh itu, dalam struktur rantai DNA, hujung 5" dan 3" dibezakan.
Semasa replikasi DNA (penggandaan), sintesis rantai baru sentiasa diteruskan dari hujung ke-5 hingga ke ketiga, kerana nukleotida baru hanya boleh ditambah ke hujung ketiga yang bebas.
Akhirnya (secara tidak langsung melalui RNA), setiap tiga nukleotida berturut-turut dalam kod rantai DNA untuk satu asid amino protein.
Penemuan struktur molekul DNA berlaku pada tahun 1953 berkat kerja F. Crick dan D. Watson (yang juga difasilitasi oleh kerja awal saintis lain). Walaupun DNA dikenali sebagai bahan kimia pada abad ke-19. Pada 40-an abad ke-20, menjadi jelas bahawa DNA adalah pembawa maklumat genetik.
Heliks berganda dianggap sebagai struktur sekunder molekul DNA. Dalam sel eukariotik, jumlah DNA yang banyak terdapat dalam kromosom, di mana ia dikaitkan dengan protein dan bahan lain, dan juga dibungkus dengan lebih padat.
Kromosom. Nyatakan bahawa kromosom terdiri daripada DNA, yang dikelilingi oleh dua jenis protein: histon (asas) dan bukan histon (asid). Perhatikan bahawa kromosom boleh berada dalam dua keadaan struktur dan berfungsi: berpilin dan terdespiral. Ketahui yang mana antara dua keadaan kromosom ini berfungsi dan maksudnya. Nyatakan pada tempoh hayat sel yang mana kromosom berpilin dan boleh dilihat dengan jelas di bawah mikroskop. Ketahui struktur kromosom, jenis kromosom yang berbeza di lokasi penyempitan primer.
Organisma kebanyakan makhluk hidup mempunyai struktur selular. Dalam proses evolusi dunia organik, sel telah dipilih sebagai sistem asas di mana manifestasi semua undang-undang kehidupan adalah mungkin. Organisma dengan struktur selular dibahagikan kepada pranuklear, yang tidak mempunyai nukleus biasa (atau prokariot), dan yang mempunyai nukleus biasa (atau eukariota). Nyatakan organisma yang manakah merupakan prokariot dan yang manakah merupakan eukariota.
Untuk memahami organisasi sistem biologi, adalah perlu untuk mengetahui komposisi molekul sel. Berdasarkan kandungannya, unsur-unsur yang membentuk sel dibahagikan kepada tiga kumpulan: unsur makro, unsur mikro dan unsur ultramikro. Berikan contoh unsur yang membentuk setiap kumpulan, nyatakan peranan komponen tak organik utama dalam kehidupan sel. Komponen kimia hidupan terbahagi kepada bukan organik (air, garam mineral) dan organik (protein, karbohidrat, lipid, asid nukleik). Dengan beberapa pengecualian (email tulang dan gigi), air adalah komponen utama sel. Mengetahui sifat-sifat air, dalam bentuk apa air yang terdapat dalam sel, mencirikan kepentingan biologi air. Dari segi kandungan bahan organik dalam sel, protein menduduki tempat pertama. Mencirikan komposisi protein, organisasi spatial protein (utama, menengah, tertier, struktur kuaternari), peranan protein dalam badan. Karbohidrat dibahagikan kepada 3 kelas: monosakarida, disakarida dan polisakarida. Mengetahui komposisi kimia dan kriteria klasifikasi karbohidrat. Berikan contoh wakil kelas yang paling penting dan cirikan peranan mereka dalam kehidupan sel. Lipid dicirikan oleh kepelbagaian kimia yang paling besar. Istilah "lipid" menggabungkan lemak dan bahan seperti lemak - lipoid. Lemak adalah ester asid lemak dan beberapa alkohol. Mengetahui komposisi kimia lipid dan lipoid. Tekankan fungsi utama: trofik, bertenaga, serta fungsi lain yang perlu dicirikan. Tenaga yang dibebaskan semasa pemecahan bahan organik tidak segera digunakan untuk kerja dalam sel, tetapi mula-mula disimpan dalam bentuk sebatian perantaraan tenaga tinggi - adenosine triphosphate (ATP). Mengetahui komposisi kimia ATP. Terangkan apakah sebatian AMP dan ADP. Terangkan konsep "sambungan makroergik". Nyatakan dalam proses apa ADP dan AMP terbentuk, dan bagaimana ATP terbentuk, apakah nilai tenaga proses ini. Berikan contoh proses fisiologi yang memerlukan sejumlah besar tenaga.