Примерное время на чтение статьи: 31 минуты

   

В ядре эукариотической клетки сосредоточена бо́льшая часть  наследственной информации, которая хранится в структурах предназначенных для её хранения, реализации и передачи. Длинные молекулы ДНК плотно упакованы в ядре клетки и существуют в виде хроматина — комплекса ДНК и особых белков. В ходе клеточного цикла облик хроматина существенно меняется. В интерфазе часть его деконденсирована (эухроматин) и неразличима в световой микроскоп, а часть остаётся в упакованном состоянии (гетерохроматин). Процессы транскрипции идут на участках ДНК эухроматина, тогда как молчащие гены и структурные участки, лишённые генов, представлены гетерохромати-ном. Перед делением клетки хроматин достигает максимальной степени конденсации и образует плотно упакованные структуры — хромосомы. Эти нуклеопротеидные структуры чётко различимы в световом микроскопе только в пери-од  деления клетки. Набор всех хромосом клетки, называемый  кариотипом. Хромосомы эукариот — это ДНК-содер-жащие структуры в ядре, митохондриях и пластидах. Хромосомы прокариот — это ДНК-содержащие структуры в клетке без ядра. Хромосомы вирусов — это молекула ДНК или РНК внутри капсида.

ХРОМОСОМЫ.

Хромосома эукариот образуется из единственной и чрезвычайно длинной молекулы ДНК, которая содержит линейную группу множества генов. Функциональными элементами хромосомы эукариот являются  центромера, теломеры и точки инициации репликации (сайты инициации). Сайты инициации и теломеры, находящиеся на концах хромосом, позволяют молекуле ДНК реплицироваться, а при помощи центромерах сестринские молекулы ДНК прикрепляются к нитям веретена деления при митозе и мейозе, что обеспечивает их точное расхождение по дочерним клеткам.

СТРОЕНИЕ МЕТАФАЗНЫХ ХРОМОСОМ.

На стадии метафазы митоза хромосомы состоят из двух продольных копий, которые называются сестринскими  или дочерними хроматидами и которые образуются при репликации. У метафазных хромосом сестринские хроматиды соединены в районе первичной перетяжки, называемой центромерой. Центромера отвечает за расхождение сестринских хроматид в дочерние клетки при делении. На центромере происходит сборка кинетохора — сложной белковой структуры, определяющей прикрепление хромосомы к микротрубочкам веретена деления — движителям хромосомы в митозе. Центромера делит хромосомы на две части, называемые плечами. У большинства видов короткое плечо хромосомы обозначают буквой p, длинное плечо — буквой q. Длина хромосомы и положение центромеры являются основными морфологическими признаками метафазных хромосом.

В зависимости от расположения центромеры различают три типа строения хромосом:

• метацентрические хромосомы, у которых центромера расположена посередине или почти посередине.
• субметацентрические хромосомы с плечами неравной длины;
• акроцентрические хромосомы, у которых центромера находится практически на конце, и второе плечо настолько мало, что его может быть не видно на препаратах;

Эту классификацию хромосом на основе соотношения длин плеч предложил в 1912 году российский ботаник и цитолог С.Г.Навашин. Помимо вышеуказанных трёх типов С. Г. Навашин выделял ещё и телоцентрические  хромосомы, то есть хромосомы только с одним плечом. Однако по современным представлениям истинно телоцентрических хромосом не бывает. Второе плечо, пусть даже очень короткое и невидимое в обычный микроскоп, всегда присутствует.

Дополнительным морфологическим признаком некоторых хромосом является так называемая вторичная перетяжка. Вторичные перетяжки бывают различной длины и могут располагаться в различных точках по длине хромосомы. Во вторичных перетяжках находятся, как правило,ядрышковые организаторы, содержащие многократные повторы генов, кодирующих рибосомные РНК. У человека вторичные перетяжки, содержащие рибосомные гены, находятся в коротких плечах акроцентрических хромосом, они отделяют от основного тела хромосомы небольшие хромосомные сегменты, называемые спутниками или саттелитами. Хромосомы, обладающие спутником, принято называть SAT-хромосомами.

ХРОМОСОМЫ. УПАКОВКА ДНК В ЯДРЕ КЛЕТКИ.

Диаметр ядра клетки — около 7 мкм. В клетках человека суммарная длина всех молекул ДНК составляет около 2 м, а Даже если учесть, что каждая хромосома представлена отдельной молекулой ДНК (а у человека 23 пары хромосом), то средняя длина нити ДНК, составляющей одну хромосому, более чем в 6 000 раз больше диаметра ядра клетки. Каким же образом в ядре упакованы молекулы ДНК и как в таком упакованном состоянии сохраняется возможность считы-вания генетической информации? Длинные молекулы ДНК плотно упакованы в ядре клетки и существуют в виде хроматина — комплекса ДНК и особых белков. Упаковка ДНК может иметь различную плотность. Выделяют несколько уровней последовательной компактизации ДНК: 1) нуклеосомный; 2) нуклеомерный; 3) хромомерный; 4) хроматидный; 5)хромосомный.

Разные участки молекул ДНК могут быть компактизированы в разной степени

Нуклеосомный уровень («бусины на нитке»)

В 70-е гг. ХХ в., рассматривая молекулу ДНК в электронный микроскоп, исследователи обнаружили, что она очень напоминает бусины, нанизанные на нитку. Так был открыт первый уровень компактизации (упаковки) ДНК. 

Впоследствии выяснилось, что эти «бусины» представляют собой комплекс, состоящий из ДНК и 8 молекул особых белков — гистонов (от др.-греч. histos — «ткань»). Белковые молекулы как бы образуют катушку, на которую примерно в 2 оборота намотана нить двуспиральной ДНК длиной в 146 пар нуклеотидов. Эта сложная нуклеопротеидная частица получила название нуклеосомы (от лат. nucleus — «ядро» и др.-греч. soma — «тело»).

За нуклеосомой идёт свободный от белков участок молекулы ДНК, равный 30–50 парам нуклеотидов (его длина зависит от вида организма). Этот участок назвали линкером (от англ. linker — «связующее звено, компоновщик»). Линкер соединяет две соседние нуклеосомы.

До 90–95% всей клеточной ДНК размещено на нуклеосомах. Такая повторяющаяся структура «нуклеосома — линкер» представляет собой элементарную единицу хроматина (от др.-греч. chroma, род. п. chromatos — «цвет, краска») — нуклеопротеида, материальной основы хромосом.

Нуклеосомный уровень компактизации ДНК играет структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6–7 раз, и регуляторную роль, так как белки-ферменты, отвечающие за транскрипцию, связываются только с участками хроматина, свободного от нуклеосом, — открытого хроматина.

Нуклеомерный уровень (30 нм фибрилла)

В митотических хромосомах и в интерфазных ядрах выявляются нити хроматина с диаметром 25–30 нм. Эти нити образованы цепочкой нуклеосом, уложенной в виде спирали. Такой тип укладки назвали соленоидным — «трубко-образным» (от др.-греч. solen — «канал» и eidos — «подобный»). 

Каждый виток спирали образуют 6 нуклеосом. Эту глобулу (от лат. globulus — «шарик»), образованную нуклеосомами, называют сверхбусиной или нуклеомером (от лат. nucleus — «ядро» и др.-греч. meros — «часть»). В результате обра-зуется хроматиновая фибрилла (от лат. fibrilla — «волоконце, ниточка»), а вся молекула ДНК сжимается по длине ещё приблизительно в 5 раз. 

Нуклеомерный уровень компактизации ДНК также осуществляется за счёт гистоновых белков, которые удерживают спиральную конфигурацию фибриллы изнутри «трубки».

Хромомерный уровень (петли и розетки из петель).

Нуклеомерно организованный хроматин может связываться со специфическими негистоновыми белками и в местах связывания образовывать крупные петли. Такие петли обеспечивают компактизацию молекулы ДНК ещё в несколько раз раз.

В некоторых местах петли соединяются и образуют розетки — хромомеры (от др.-греч. chroma – «цвет, краска» и meros — «часть»). Такие петли и розетки обеспечивают компактизацию молекулы ДНК в десятки раз.

Ещё более плотная упаковка ДНК достигается за счёт дальнейшего сворачивания цепочек из хромомеров. 

Хроматидный и хромосомный уровни.

В делящихся клетках в световой микроскоп видны плотные отдельные образования — конденсированные хромосомы (от др.-греч. chroma — «цвет, краска» и soma — «тело»), представляющие собой максимально плотно упакованный генетический материал. Длина каждой хромосомы ≈ 5 мкм, длина входящей в неё нити ДНК ≈ 5 см.

Хромати́ды (от др.-греч. chroma — «цвет, краска» и eidos — «подобный») — это структурные элементы хромосом. Они образуются в ядре клетки в интерфазе в результате репликации (удвоения) молекул ДНК. Каждая из двух копий одной молекулы ДНК называются сестринскими хроматидами. Обе сестринские хроматиды, пока они соединены центроме-рой, составляют реплицированную хромосому. После разделения хроматид в ходе деления клетки их называют дочерними хромосомами. То есть хроматиды — это половинки реплицированных хромосом, которые в процессе деления становятся автономными структурами и превращаются в хромосомы.

Таким образом, каждая хромосома представляет собой либо одну молекулу ДНК, либо, перед делением клетки, две абсолютно идентичные друг другу копии одной молекулы ДНК. Удвоение молекул ДНК перед делением клетки является необходимым условием для точной передачи всей генетической информации каждой дочерней клетке.

ХРОМАТИН.

В неделящейся клетке хромосомы деспирализованы (деконденсированы), границ между ними не видно, а их диффузный материал называется хроматином. Хроматин представляет собой комплекс ДНК и белка. Основная функция заключается в упаковке длинных молекул ДНК в более компактные и плотные структуры. Это предотвращает спутывание нитей, а также играет важную роль в укреплении ДНК во время клеточного деления, предотвращении  повреждения ДНК и регулировании экспрессии генов и репликации ДНК. Во время митоза и мейоза хроматин способствует правильной сегрегации (продольное расщепление хромосом на хроматиды) хромосом в анафазе; характерные формы хромосом, видимые на этой стадии, являются результатом свертывания ДНК в высококонденси-рованный хроматин.Основными белковыми компонентами хроматина являются гистоны. Октамер, состоящий из двух наборов из четырех гистоновых ядер, связывается с ДНК и функционирует как «якорь», вокруг которого наматываются нити. Уровни организации хроматина мы рассмотрели выше.

Однако многие организмы не следуют этой схеме организации.  Например, сперматозоиды и птичьи эритроциты имеют более плотно упакованный хроматин, чем большинство эукариотических клеток, а трипаносомы простейших  вообще не уплотняют свой хроматин в видимые хромосомы. Прокариотические клетки имеют совершенно другие структуры для организации своей ДНК (эквивалент прокариотической хромосомы называется генофор и локализован в нуклеоидной области).

В интерфазном ядре различают 2 вида хроматина.

Эухроматином (от др.-греч. eu — «хорошо, полностью») или активным хроматином называют участки хроматина, находящиеся в неделящемся ядре в деспирализованном состоянии. Такой хроматин неразличим в световой микроскоп. Эухроматин содержит большинство структурных генов организма и отличается от гетерохроматина способностью к интенсивному синтезу РНК, то есть он транскрипционно активен.

Хроматин, упакованный более плотно, называют конденсированным хроматином или гетерохроматином (от др.-греч. heteros — «другой, разный»). Гетерохроматин хорошо различим в световой микроскоп, так как в его составе много белков, хорошо окрашивающихся осно́вными красителями. Находящаяся в гетерохроматине ДНК не транс-крибируется: это молчащие участки содержащей гены ДНК, а также теломеры и центромеры — структурные элементы хромосом, не содержащие генов. Центромерные и теломерные участки относятся к обязательному (облигатному) гетерохроматину. Молчащие участки ДНК образуют необязательный (факультативный) гетерохроматин. В разных типах клеток разные области ДНК могут входить в состав необязательного гетерохроматина в зависимости от того, какие гены активны, а какие — нет. Гетерохроматин при использовании красителей окрашивается в более темный цвет (этим он отличается от эухроматина).

ХРОМОСОМЫ, их гаплоидный и диплоидный набор.

Для каждого вида эукариот характерен свой кариотип. Кариотипом называется комплекс характеристик хромосомно-го набора соматической клетки, в который входят:

• число хромосом, специфичное для данного вида;
• их размеры;
• положение центромеры каждой хромосомы;
• рисунок дифференциального окрашивания хромосом (специальный метод окрашивания, который позволяет по рисунку чередующихся поперечных темных и светлых полос идентифицировать конкретную хромосому или ее участок).

Нормальный кариотип человека включает 22 пары аутосом (неполовых хромосом) и пару половых хромосом (ХХ или ХY).

Хромосомы в кариотипе различаются размерами, формой, положением центромеры, рисунком окрашивания. Каждая хромосома содержит определенный набор генов (например, гены A, B, C, D … — в хромосоме 1, гены K, L, M, N … — в хромосоме 2 и т. д.). В соответствии с этими признаками хромосомы нумеруют. Самая большая хромосома — первая, и далее чем меньше хромосома, тем больший номер она получает.

Каждая хромосома состоит в данном случае из двух сестринских хроматид. Каждая хроматида содержит 1 молекулу ДНК. 2 сестринские хроматиды — это точные копии ДНК, образовавшиеся в результате репликации. Сестринские хроматиды расходятся по дочерним клеткам в ходе митоза, поэтому хромосомы в клеточном цикле двуххроматидны от репликации до деления (в фазе цикла G₂) и однохроматидны от деления до репликации (фаза G₁).

Помимо этого, у диплоидного организма имеется двойной набор хромосом. У человека имеются 22 пары гомологич-ных хромосом, или пары гомологов (плюс пара половых хромосом, которые не гомологичны друг другу, за исключением небольшого района). Один набор хромосом человек получает от матери, другой — от отца. Объединение этих наборов происходит при оплодотворении. 

При половом размножении постоянно создаются новые комбинации генов, что увеличивает генетическое разнооб-разие потомства и, соответственно, шансы приспособиться к меняющимся условиям среды. Создание новых комби-наций генов происходит в процессе мейоза. Мейоз имеет место в ходе образования гаплоидных клеток — спор или гамет. При этом хромосомы, доставшиеся организму от матери и отца, перестают существовать как целое — в ре-зультате кроссинговера образуются новые варианты хромосом, скомбинированные из отцовских и материнских. Таким образом, хромосомы детей, как правило, не идентичны хромосомам родителей — они содержат другие комбинации аллелей (вариантов генов).

В ходе мейоза происходит редукция хромосомного набора — образование из диплоидной клетки 4 гаплоидных клеток (n), у которых каждая хромосома представлена уже не парой гомологов, а 1 хромосомой. У человека путем мейоза образуются половые клетки (гаметы), каждая из них несет 23 хромосомы.

Диплоидность клеток в жизненном цикле восстанавливается при оплодотворении — слиянии гамет. При этом объеди-няются два разных хромосомных набора из двух разных геномов (генома матери и генома отца).

У других организмов соотношение диплоидной и гаплоидной фаз цикла может быть разным. Разные организмы де-монстрируют большое разнообразие жизненных циклов, однако во всех них можно выделить диплоидную фазу, или диплофазу — от оплодотворения до мейоза — и гаплоидную фазу, или гаплофазу — от мейоза до следующего оплодотворения.

Например, у животных (слева) гаплоидны только гаметы, у растений (посередине) есть диплоидное поколение (спо-рофит) и гаплоидное поколение (гаметофит), а у многих одноклеточных преобладает гаплоидная фаза, а зигота после оплодотворения делится мейозом, в результате чего снова получаются гаплоидные клетки. 

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.

Нуклеиновые кислоты — сложные высокомолекулярные соединения, имеющиеся во всех клетках живых организмов и являющиеся материальными носителями наследственной информации. Нуклеиновые кислоты играют ведущую роль не только в хранении, но и в передаче наследственной информации и реализации её в ходе индивидуального развития каждого организма.

Нуклеиновые кислоты — самые большие молекулы в клетках живых организмов. Они представляют собой линейные полимеры огромной молекулярной массы. Длина молекул нуклеиновых кислот может составлять несколько метров, однако они многократно скручены (спирализованы) и образуют компактные структуры, что позволяет им занимать относительно небольшой объём. 

Нуклеиновые кислоты — это природные биополимеры, являющиеся продуктами реакции поликонденсации нуклеоти-дов и материальными носителями наследственной информации.

Нуклеиновые кислоты входят в состав клеток всех живых существ на Земле. Нуклеиновые кислоты открыл в 1869 г. швейцарский врач Фридрих Мишер (1844 – 1895 гг.). Из распавшихся клеток гноя путем экстракции соляной кислотой он выделил вещество, содержащее фосфор и азот, которое назвал нуклеином (лат. nucleus – ядро), т. к. считал, что оно содержится только в ядре клетки. Он выделил нуклеин также из другого, ещё более удобного объекта – молок лосося.
Затем было установлено, что нуклеиновые кислоты бывают 2-х видов: «животная» и «растительная». Позднее первая из них была названа ДНК, а вторая – РНК, и было показано, что оба эти вещества содержатся как в животных, так и в растительных клетках. ДНК чаще всего выделяли из тимуса (зобная железа) телёнка, РНК – из дрожжей или зародышей пшеницы.

Различают два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК).   РНК и ДНК были обнаружены в ядрах клеток и поэтому их назвали нуклеиновыми, то есть ядерными.

Молекулы ДНК содержат всю генетическую информацию, в них закодирован состав всех белков организма. Однако ДНК непосредственно в синтезе белков не участвует. Перенос генетической информации от ДНК к белкам выполняет РНК.

СОСТАВ И СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ.

Рибонуклеиновые кислоты — нуклеиновые кислоты, получаемые при поликонденсации рибонуклеотидов, в состав молекул которых входят остатки рибозы.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты— продукты поликонденсации дезоксирибонуклеотидов, в состав молекул которых входят остатки дезоксирибозы.

Мономером нуклеиновых кислот является нуклеотид, который состоит из нуклеозида и остатка фосфорной кислоты. Нуклеозид, в свою очередь, состоит из азотистого основания и сахара (дезоксирибозы, которая относится к пентозам).

Нуклеозиды — азотистые основания, соединенные ковалентной связью с остатком рибозы или дезоксирибозы, образуют N-гликозиды. Названия нуклеозидам дают по имени азотистого основания, входящего в их состав. Например, нуклеозид аденозин включает аденин, тимидин — тимин, уридин — урацил. 

Нуклеотиды— нуклеозиды, в которых к 5′-гидроксильной группе моносахарида присоединены одна или несколько фосфатных групп.

Азотистые основания:
Пуриновые: аденин и гуанин (в молекуле 2 гетероцикла: 6- и 5- членные).
Пиримидиновые: тимин, цитозин и урацил (в молекуле одно 6 – членное кольцо)

Каждая из трёх частей играет свою роль в нуклеиновых кислотах. Самая главная принадлежит азотистым основани-ям — именно они являются носителями наследственной информации. Молекулы сахара играют структурную роль — они составляют остов, фундамент нуклеиновой кислоты. С каждой молекулой сахара соединена одна молекула азотистого основания. Разные молекулы сахара соединены между собой в единую гигантскую молекулу нуклеиновой кислоты остатками фосфорной кислоты.

В результате частичного гидролиза нуклеотидов происходит отщепление остатка фосфорной кислоты и образуются  нуклеозиды.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота — биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах.

Структура ДНК:

• полимер,
• структурной единицей которого является дезоксирибонуклеотид,
• дезоксирибонуклеотид состоит из азотистого основания ( пуринового — А,Г; пиримидинового — Т, Ц); углевода дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты (НРОз^2-);

• двойная цепь правосторонняя,
• 10 пар оснований составляют полный оборот 360°,
• фосфатные группировки находятся снаружи спиралей,
• основания — внутри и расположены с интервалом 34 нм.
• цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями.

В разработке структуры молекулы ДНК важную роль сыграли наблюдения Эдвина Чаргаффа(1949).

Правила Чаргаффа:

1.  А=Т, Г=Ц или А+Г/Ц+Т=1 пропорция пуриновых и пиримидиновых оснований всегда равная.

2.  для характеристики нуклеотидного состава ДНК был предложен коэффициент специфичности, учитывающий долю гуанин — цитозиновых пар: Г+Ц/А+Т или [ Г+Ц/ А+Т+Г+Ц ] х 100%.

 Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5′ положения одного пентозного кольца и  положе-ния 3′ следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5′-3′  связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5′ конца к 3′ концу — такая цепь называется смысловой ДНК, здесь расположены гены.

Вторая цепь направления 3′- 5′ считается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Она играет большую роль в процессах репликации и репарации (восстановлении структуры повреждённой ДНК).

В настоящее время описаны несколько модификаций молекул ДНК.

Полиморфизм ДНК — способность молекулы принимать различные конфигурации. В настоящее время описано 6 форм, часть которых может существовать только в пробирке:

В- форма — имеет стандартную структуру, соответствующую модели ДНК Уотсона и Крика, в физиологических условиях ( низкой концентрации солей, высокой степени гидратации) является доминирующим структурным типом.

А-форма — обнаружена в более обезвоженных средах и при более высоком содержании ионов калия и натрия. Её информация близка к структуре двухцепочечных ДНК.

С-форма — имеет меньше форм оснований на виток, чем В-форма. В этих трёх формах могут находиться все ДНК независимо от нуклеотидной последовательности.

Д и Е-формы — имеют наименьшее число оснований на виток (7,5-8). Обнаружены только в молекулах ДНК, не содержащих гуанина.

Z-форма — зигзагообразная форма, с чередованием лево- и правоспиральности. Эта форма выявляется при наличии ряда факторов: 1.   Высокая концентрация солей и наличие специфических катионов; 2.  Высокое содержание отрицательных супервитков в молекуле ДНК встречается на участках, обогащенных парами Г-Ц;

Некоторые из форм могут при определённых условиях, связанных с изменениями концентрации солей и степени гидратации, переходить друг в друга: А↔ В; Z↔B. Взаимные переходы А и В — форм регулируют работу генов.

Знания структуры и функции ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Сама ДНК не может играть роль матрицы   при синтезе белков из аминокислот, т.к. вся находится в хромосомах, а они в ядре, в то время как все клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Таким образом, генетическая информация, заключённая в ДНК, должна передаваться какой-то промежуточной молекуле, которая транспортировалась бы в цитоплазму и участвовала в синтезе полипептидных цепей. Такой промежуточной молекулой может быть РНК. Это было подтверждено тем, что клетки, синтезирующие большое количество белка, содержат много РНК. Взаимоотношения ДНК и РНК были представлены в виде схемы:

  Такой  путь  передачи  информации  от  ДНК  к и-РНК  и  белку Ф. Крик назвал «Центральной догмой молекулярной биологии» . Считалось, что передача генетической информации в обратном направлении  невозможна.  В  1975г. Р. Дульбеко, Г.Тимин, Д. Балтимор описали явление обратной транскрипции, т.е. передачу информации  с  и-РНК  на ДНК с помощью  фермента обратной транскриптазы (ревертазы).

ЭКСПЕРТИЗА ДНК в современной генетической науке.

В 1948 году британский генетик Алек Джеффриз открыл метод, позволяющий установить личность человека на основании уникальности его ДНК. Этот метод был назван генетической дактилоскопией, или ДНК-дактилоскопией. Это открытие сначала стали применять в криминалистике при проведении судебно-медицинских экспертиз для доказательства причастности или, наоборот, непричастности подозреваемых к преступлениям, в которых они обвинялись. К традиционной дактилоскопии — определению личности человека по отпечаткам пальцев — добавилась генетическая (геномная) дактилоскопия, то есть определение личности по:

• волосу (с корнем),
• слюне (например, на фильтре от сигареты),
• частице кожи,
• капельке крови,
• кости, в т. ч. зубу,

то есть по любому биообъекту очень малого количества. Ведь в любом биоматериале человека есть ДНК. И, как установил Алек Джеффрис, по её особенностям можно идентифицировать людей. В ходе криминальных рассле-дований начали сравнивать ДНК подозреваемых с ДНК, полученными из образцов волос, биологических жидкостей и кожи, обнаруженных на месте преступления.

Позже техника ДНК-дактилоскопии, открытая Алеком Джеффрисом, начала использоваться повсеместно для установления родства и решения множества других задач, связанных с идентификацией личности.

В настоящее время ДНК-типирование является одной из наиболее мощных и получивших широкое применение  биотехнологических  методик. Оно используется для выявления малейших различий в составе образцов ДНК, в том числе для определения совместимости донора и реципиента при проведении трансплантации органов и тканей, выявления специфических микроорганизмов, отслеживания необходимых генов в процессе селекции растений,  установления отцовства, идентификации останков людей (например, для установления личностей неизвестных погибших солдат или жертв катастроф), регуляции размножения животных в условиях зоопарков, быстрого диаг-ностирования с высокой степенью точности таких заболеваний, как ВИЧ-инфекция и хламидиоз, выявления генов, определяющих предрасположенность индивидуума к различным формам рака и другим заболеваниям.

Только в 2008 году (то есть в течение одного года) во всём мире с помощью данной системы ДНК-идентификации было раскрыто 17614 преступлений, в том числе 83 убийства и 184 изнасилования.

Выделяют следующие виды ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ: — ДНК-экспертиза, направленная на установление отцовства/материнства; — на установление близкого родства (тетя, дядя, бабушка, дедушка, племянница, племянник); — на установление двоюродного родства; — экспертиза близнецов; — генетическая экспертиза Y-хромосомы (или тест семейной принадлежности, который позволяет установить наличие общего предка); — экспертиза митохондриальной ДНК (позволяет исследовать степень родства по материнской линии).

Каждый из перечисленных видов экспертиз исследует ДНК человека и имеет свою степень вероятности достовернос-ти полученных результатов. Обычно к экспертизе ДНК прибегают с целью установления родства, чаще всего отцовст-ва. Но бывают случаи, когда необходимо установить материнство и иные степени родства. Данные, полученные в ходе исследования ДНК, могут являться доказательством в делах по оспариванию или доказыванию отцовства или материнства. Экспертизу ДНК проводит медик или эксперт центра по проведению подобного рода экспертиз. По результатам исследования составляется экспертное заключение, в котором описываются методы исследования ДНК, ход самого исследования и полученные результаты.

Вероятность получения достоверного результата при определении отцовства равна 99,9%. В случае определения отцовства такие результаты обуславливаются тем, что имеется вероятность наличия у мужчины брата-близнеца с идентичной ДНК. Отрицательный результат имеет 100% достоверность. Сроки проведения экспертизы зависят от выбранной методики исследования ДНК и от представленных образцов. Как правило, проведение такого исследова-ния занимает около десяти-двадцати дней.

В случае несогласия одной из сторон с результатами ДНК-экспертизы необходимо обратиться в другое независимое учреждение для проведения повторного исследования с использованием новых образцов. Если получение новых образцов не представляется возможным, исследованию могут быть подвержены и старые материалы. Процедура рецензирования заключения ДНК-экспертизы на предмет достоверности полученных результатов невозможна. Результаты исследования ДНК человека могут быть использованы при разрешении дел, связанных с наследством, а также при опознании останков человека, трупов, следов крови.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ РНК.

Рибонуклеиновая кислота имеет много общего со структурой ДНК, но  отличается от неё рядом признаков:

1. Углеводом РНК является рибоза;
2. В состав рибонуклеотида входят азотистые основания : А,Г, Ц, У.
3. РНК — одноцепочечная молекула;
4. Правило Чаргаффа может не выполняться.

 В  клетках  имеется  РНК  нескольких видов:

а)  м-РНК (матричная) или и-РНК(информационная) или мессенджер м-РНК:

• выполняют функцию матриц белкового синтеза;
• нуклеотидов от нескольких сот  до 10 000;
• незамкнутая цепочка нуклеотидов.

б)  гя-РНК — гетерогенная ядерная РНК :

• которая является точной копией ДНК,
• в результате процессинга превращается в м-РНК;
• значительно  длиннее  м-РНК.

в)  т-РНК — транспортная РНК:

г) мя-РНК –малая ядерная РНК принимает участие в процессе преобразования гя-РНК.

д) РНК-праймер – крошечная РНК:

• Содержит около 10 нуклеотидов;
• Участвует в процессе репликации  ДНК.

е)  р-РНК –рибосомная:

• Входит в состав рибосом;
• Принимает непосредственное участие в синтезе полипептидной цепи;
• Составляет 85% всей РНК;

     В 1970 г.Альтман и Чек показали, что РНК может выступать и в роли катализатора в ряде клеточных процессов. Эта способность РНК позволила использовать эту молекулу для различных биотехнологических целей, в частности для борьбы с вирусными инфекциями.

Молекулы всех видов РНК имеют 4 основных плеча:

1.   Акцепторное плечо заканчивается последовательностью ЦЦА (5′-3′). Через 3′ происходит связывание с карбоксиль-ной   группой аминокислоты.

2.   2 и 3 плечи состоят из стеблей, образованных комплементарными парами оснований и петель из неспаренных оснований.

4.   Антикодоновое плечо узнаёт нуклеотидный триплет.

4. ДНК – носитель наследственной  информации.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ: «Решение задач на определение последовательности нуклеотидов и правила ЧАРГАФФА«.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДНК и РНК.

1. ЗАПОЛНИТЕ ТАБЛИЦУ «Сравнительная характеристика ДНК и РНК»

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ на определение последовательности нуклеотидов и на правила ЧАРГАФФА.

ЗАДАЧА 1.

Фрагмент левой цепи ДНК имеет следующую структуру: Т Г Т Т А Т Ц А А Ц Г Т А А Г. Какова последовательность нуклеотидов в противоположной цепи ДНК? Определите длину этого участка ДНК.

ЗАДАЧА 2.

В одной молекуле ДНК тиминовый нуклеотид (Т) составляет 17% от общего числа нуклеотидов . Определите количество(в процентах) каждого из остальных видов нуклеотидов.

ЗАДАЧА 3.

Химический анализ показал, что 28% от общего числа нуклеотидов данной и-РНК приходятся на аденин, 6% — на гуанин, 40% — на урацил. Каков должен быть нуклеотидный состав соответствующего участка ДНК, информация с которого переписана данной и-РНК?

ЗАДАЧА 4.

Каков будет состав ДНК, если и-РНК содержит 16% гуанина, 30% аденина, 20%- урацила?

ЗАДАЧА 5.

По мнению некоторых ученых, общая длина всех молекул ДНК в ядре одной половой клетки человека составляет приблизительно 102 см. Сколько всего пар нуклеотидов содержится в ДНК одной клетки?

ЗАДАЧА 6.

Сколько и каких видов нуклеотидов потребуется при редупликации молекулы ДНК, в которой количество А — 600 тыс., Г — 200тыс? Какова длина этого фрагмента ДНК?

ЗАДАЧА 7.

Сколько содержится тиминовых, адениновых и цитозиновых нуклеотидов (в отдельности) во фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 880 гуаниновых нуклеотидов, которые составляют 20% от общего количества нуклеотидов в этом фрагменте ДНК?

ЗАДАЧА 8.

В одной молекуле ДНК тиминовый нуклеотид (Т) составляет 30% от общего числа нуклеотидов. Определите количест-во (в процентах) каждого из остальных видов нуклеотидов.

ЗАДАЧА 9.

Масса фрагмента ДНК составляет 81000. Из общего числа нуклеотидов на долю адениновых нуклеотидов приходится 70. Определить количество гуаниновых, цитозиновых и тиминовых нуклеотидов в отдельности. Какова длина этого фрагмента ДНК?

ЗАДАЧА 10.

В и-РНК находится 90 гуаниновых нуклеотидов,28% адениновых, 20% урациловых и 22% цитозиновых. Чему равна масса, длина и соотношение нуклеотидов в двухцепочечной ДНК, с одной из цепей которой снималась данная и-РНК?

ЗАДАЧА 11.

Одна из цепей молекулы ДНК, кодирующая часть полипептида имеет следую-щее строение: Т А А Ц А Г А Г А Ц Ц А А Г А АА Т А А. Найдите длину и массу Молекулы ДНК, если молярная масса нуклеотида 345, а длина нуклеотида 3,4А (0,34 нм).

ЗАДАЧА12.

Если в молекуле ДНК 30 % составляют цитозиновые нуклеотиды, то какой процент составят адениновые нуклеотиды?

ЗАДАЧА 13.

Участок цепи ДНК, служащий матрицей для образования и-РНК, включает следующие нуклеотиды А А Ц А АА Ц Т Т А Ц Ц Г Т А Г Т Т А Г А Г Т Г А Ц А Ц Т Т. Напишите какие нуклеотиды будут использованы для построения и-РНК на этом участке молекулы ДНК, если и-РНК строится по принципу комплементарности.

ЗАДАЧА 14.

Образовавшийся участок молекулы и-РНК имеет следующий состав нуклеотидов: ГЦГАЦАУУУ УЦГЦГУАГУАГААУУ. Определите, какие нуклеотиды ДНК будут кодировать эту и-РНК и в какой последовательности они будут располагаться.

ЗАДАЧА 15.

Участок одной цепи ДНК состоит из последовательности нуклеотидов: А А Г Г А А Т А Т А Ц Ц А Т А Ц Г А Г Т А А Т ТТТТ. Определите, какие нуклеотиды войдут в состав и-РНК, закодированной на этом участке и в каком порядке они будут располагаться.

ЗАДАЧА 16.

Одна из цепочек молекулы ДНК имеет такую последовательность нуклео-тидов:АГТАЦЦГАТАЦТЦГАТТТАЦГ.Какую последовательность

нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы? Найдите длину этого участка ДНК.

ЗАДАЧА 17.

Укажите порядок нуклеотидов в цепочке ДНК, образующейся путем самокопирования цепочки:

ЦАЦЦГТАЦАГААТЦГЦТГАТ. Найдите массу данной цепочки.

ЗАДАЧА 18.

В лаборатории исследовали участок одной из цепочек молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Оказалось, что он состоит из 20 мономеров, которые расположены в такой последовательности:Г Т Г Т А А Ц Г А Ц Ц Г А Т А Ц Т Г Т А

Что можно сказать о строении соответствующего участка второй цепочки этой же молекулы ДНК?

ЗАДАЧА 19.

Напишите последовательность нуклеотидов ДНК, дополнительно к следующей: А Г Г Ц Ц Т А Г Г Ц Т А А Т А Г Ц Ц Г Т. Определите массу цепочки.

ЗАДАЧА 20.

Молекула ДНК распалась на две цепочки. Одна из них имеет строение: Т А Г А Ц Т Г Г Т А Ц А Ц Г Т Г Г Т ГА. Какое строение будет иметь вторая молекула, когда указанная цепочка достроится до полной двухцепочечной молекулы ДНК?

ЗАДАЧА 21.

Укажите последовательность нуклеотидов участков молекулы информационной РНК, образовавшихся на участке ДНК, в котором нуклеотиды расположены следующим образом: А А Т Ц А Ц Г А Т Ц Ц Т Т Ц Т А Г Г А Г Г; Определите длину фрагмента ДНК с которого была списана информация.

ЗАДАЧА 22.

Укажите последовательность нуклеотидов участков молекулы информационной РНК, образовавшихся на участке ДНК, в котором нуклеотиды расположены следующим образом: А Т Ц А Т Т Ц Ц Г Г А Т Т Ц Г Г Ц Ц А А Г; Определите массу фрагмента ДНК с которого была списана информация.

ЗАДАЧА 23.

Укажите последовательность нуклеотидов участков молекулы информационной РНК, образовавшихся на участке ДНК, в котором нуклеотиды расположены следующим образом: Т Ц Г Ц Г Т А А Г Ц Т Г Г Ц Т Т А Г Ц Ц Г; Подсчитайте соотношение всех видов нуклеотидов в ДНК в процентах.

ЗАДАЧА 24.

Химическое исследование показало, что 30% общего числа нуклеотидов данной и- РНК приходится на урацил, 26%—на цитозин и 24% — на аденин. Что можно сказать о нуклеотидном составе соответствующего участка двухцепочечной ДНК, «слепком» с которого является исследованная РНК?

ЗАДАЧА 25.

Химическое исследование показало, что 13% общего числа нуклеотидов данной и- РНК приходится на гуанин, 35%—на цитозин и 12% — на урацил. Что можно сказать о нуклеотидном составе соответствующего участка двухцепочечной ДНК, «слепком» с которого является исследованная РНК?

ЗАДАЧА 26.

Молярная масса ДНК равна 138000. Масса тиминовых нуклеотидов, входящих в состав данной ДНК равна 18000. Сколько нуклеотидов каждого вида в отдельности входит в состав этой молекулы ДНК? Какова длина ДНК?

ЗАДАЧА 27.

Участок молекулы и-РНК состоит из 175 кодонов. Определите: 1. количество нуклеотидов в ДНК; 2. длину и массу ДНК.

ЗАДАЧА 28.

В и-РНК 120 урациловых нуклеотидов, 18% — цитозиновых, 28%-гуаниновых и 36%-адениновых. Чему равна длина и масса, а также соотношение нуклеотидов в двухцепочечной ДНК?

ЗАДАЧА 29.

Исследования показали, что 31% от общего числа нуклеотидов данной молекулы и-РНК приходится на аденин, 21% — на урацил, 19% — на гуанин. Определите процентный состав азотистых оснований двухцепочечной ДНК, слепком с которой является вышеуказанная и-РНК.

ЗАДАЧА 30.

Масса ДНК 288000. Какова длина гена. Сколько нуклеотидов входит в состав данной цепочки ДНК?

3. ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ тестов.