Под воздействием неблагоприятных факторов участки двойной спирали днк

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 19.09.2024

Для решения задач по молекулярной биологии необходимо владеть следующими биологическими понятиями: виды нуклеиновых кислот,строение ДНК, репликация ДНК , функции ДНК, строение и функции РНК, генетический код, свойства генетического кода,мутация.

Типовые задачи знакомят с основными приемами рассуждений в генетике, а "сюжетные"– полнее раскрывают и иллюстрируют особенности этой науки, делая ее интересной и привлекательной для учащихся. Подобранные задачи характеризуют генетику как точную науку, использующую математические методы анализа. Решение задач в биологии требует умения анализировать фактический материал, логически думать и рассуждать , а также определенной изобретательности при решении особенно трудных и запутанных задач.

Для закрепления теоретического материала по способам и приемам решения задач предлагаются задачи для самостоятельного решения, а также вопросы для самоконтроля.

Примеры решения задач

Один шаг это полный виток спирали ДНК–поворот на 360 o
Один шаг составляют 10 пар нуклеотидов
Длина одного шага – 3,4 нм
Расстояние между двумя нуклеотидами – 0,34 нм
Молекулярная масса одного нуклеотида – 345 г/моль
Молекулярная масса одной аминокислоты – 120 г/мол
В молекуле ДНК: А+Г=Т+Ц (Правило Чаргаффа: ∑(А) = ∑(Т), ∑(Г) = ∑(Ц), ∑(А+Г) =∑(Т+Ц)
Комплементарность нуклеотидов: А=Т; Г=Ц
Цепи ДНК удерживаются водородными связями, которые образуются между комплементарными азотистыми основаниями: аденин с тимином соединяются 2 водородными связями, а гуанин с цитозином тремя.
В среднем один белок содержит 400 аминокислот;
вычисление молекулярной массы белка:

где М_min – минимальная молекулярная масса белка,
а – атомная или молекулярная масса компонента,
в – процентное содержание компонента.

Задача № 1.Одна из цепочек ДНК имеет последовательность нуклеотидов : АГТ АЦЦ ГАТ АЦТ ЦГА ТТТ АЦГ . Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка ДНК той же молекулы. Для наглядности можно использовать магнитную "азбуку" ДНК (прием автора статьи) .
Решение: по принципу комплементарности достраиваем вторую цепочку (А-Т,Г-Ц) .Она выглядит следующим образом: ТЦА ТГГ ЦТА ТГА ГЦТ ААА ТГЦ.

Задача № 2. Последовательность нуклеотидов в начале гена, хранящего информацию о белке инсулине, начинается так: ААА ЦАЦ ЦТГ ЦТТ ГТА ГАЦ. Напишите последовательности аминокислот, которой начинается цепь инсулина.
Решение: Задание выполняется с помощью таблицы генетического кода, в которой нуклеотиды в иРНК (в скобках – в исходной ДНК) соответствуют аминокислотным остаткам.

Задача № 3. Большая из двух цепей белка инсулина имеет (так называемая цепь В) начинается со следующих аминокислот : фенилаланин-валин-аспарагин-глутаминовая кислота-гистидин-лейцин. Напишите последовательность нуклеотидов в начале участка молекулы ДНК, хранящего информацию об этом белке.

Решение (для удобства используем табличную форму записи решения): т.к. одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов, точную структуру и-РНК и участка ДНКопределить невозможно, структура может варьировать. Используя принцип комплементарности и таблицу генетического кода получаем один из вариантов:

Что такое ДНК, и из чего она состоит? Кто и когда открыл эту молекулу в клетках человека и других живых организмов? Чем уникален открытый учеными механизм наследования, и какие последствия ждал весь мир после этого открытия? Всю необходимую информацию Вы можете узнать, прочитав эту статью.

Иоганнес Фридрих Фишер – врач и биолог-исследователь родом из Швейцарии, стал первым в мире ученым, выделившим нуклеиновую кислоту. Открытие случилось в 1869 году, когда он занимался изучением животных клеток, а именно лейкоцитов, которых много содержалось в гное. Совершенно случайно молодой ученый заметил, что при отмывании лейкоцитов с гнойных повязок от них остается загадочное соединение. Под микроскопом Иоганн обнаружил, что оно содержится в ядрах клеток. Это соединение Мишер назвал нуклеином, а в процессе изучения его свойств переименовал в нуклеиновую кислоту, из-за наличия свойств, как у кислот.

Роль и функции только открытой нуклеиновой кислоты были неизвестны. Однако многие ученые того времени уже высказывали свои теории и предположения о существовании механизмов наследования.

Нынешние взгляды на состав молекулы ДНК ассоциируются у людей с именами английских ученых Джорджа Уотсона и Фрэнсиса Крика, которые открыли структуру данной молекулы в 1953 году. За несколько лет до этого, в тридцатые годы, ученые из советского союза А.Н. Белозерский и А.Р. Кезеля доказали наличие ДНК в клетках во всех живых организмах, тем самым они опровергли теорию о том, что молекула ДНК находится только в клетках животных, а в клетках растений присутствует только РНК. Лишь спустя несколько лет, в 1944 году, группой освальдских ученых было установлено, что молекула ДНК является механизмом сохранения наследственной информации клетки. Таким образом, благодаря совместным усилиям и трудам исследователей человечество познало тайну процесса эволюции и его основных принципов.

ДНК в медицине

Открытие состава молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты позволило перейти медицине на новый уровень развития. Появилось большое количество новых направлений практической медицины, стали доступны новые методы лечения, диагностики. Благодаря этому фундаментальному открытию для науки и современным технологиям, человечеству стали доступны:

Возможность поставить диагноз на ранней стадии заболевания, когда оно еще находится в скрытом периоде, и никаких симптомов не проявляется. у человека.
Тесты на наличие у человека аллергии или непереносимости некоторых пищевых продуктов. Индивидуальные исследования помогут выявить, какая пища хорошо усваивается организмом, а какая плохо или вообще не усваивается, и что может стать причиной аллергической реакции у исследуемого. Возможность узнать, какие этносы формируют Вашу внешность, и из каких народов были Ваши далекие предки
Тест на наличие врожденных заболеваний, передающиеся через поколения, оценка риска их возникновения у тестируемого человека.

И это еще не все доступные для людей услуги, которые может предложить медицина, изучающая генетику. Выше были представлены только самые популярные среди людей тесты. Перспективой для многих ученых-генетиков является создание таких лекарств, способных победить все болезни на Земле и даже смертность.

Строение молекулы ДНК

Молекула ДНК состоит из органических соединений - нуклеотидов, которые скручиваются в две спиралевидные цепи. Нуклеотиды в этих цепях – это базовые элементы, с помощью которых потом будут кодироваться и выстраиваться гены. В составе одного гена возможны несколько вариантов расположения некоторых нуклеотидов, поэтому вместе с тем, как меняется структура гена, меняется и его функциональность.

От цепочки к хромосоме

В каждом живом организме находится миллионы клеток, а внутри этих клеток находится ядро. Клетки, содержащие в себе ядро, называются эукариотами или ядерными. У древних одноклеточных нет оформленного ядра. К таким безъядерным одноклеточным, или прокариотам, относятся бактерии и археи, например, кишечная палочка или серая анаэробная бактерия. Также ядро отсутствует в клетках вирусов и вироидов, однако причисление вирусов к живым организмам – вопрос спорный, о котором по сей день дискуссируют ученые.

В ядре находятся хромосомы – структурный элемент, в котором содержится молекула ДНК в виде спирали, хранящая внутри себя всю генетическую информацию клетки.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Количество нуклеотидов в ДНК велико, и нужны длинные цепочки, чтобы вместить все их число, поэтому нити ДНК закручиваются в две спирали, что позволяет укоротить цепочки в 5 раз, сделав их более компактными. Нити ДНК могут также закручиваться в форму суперспирали. Двойная спираль пересекает свою ось и накручивается на специальные гистоновые белки – гиразы, образуя при этом супервитки. Таким образом, двойная спираль закручивается в спираль более высокого порядка. Сокращение цепочек в этом случае произойдет в 30 раз.

Как гены связаны с ДНК

Ген – самый изученный на сегодняшний день участок ДНК. Гены являются структурной единицей наследственности всех живых организмов. Цепочки нуклеотидов в ДНК состоят из генов, которые определяют генотип особи, например, цвет и разрез глаз, тип кожи, рост, группу и резус фактор крови и другие физиологические качества и особенности внешности.

Еще много отраслей генетики до конца не изучены, и до конца не раскрыты все функции генома, но ученые до сих пор продолжают изучение генов, чтобы добиться новых открытий в области генетики.

Хромосома: определение и описание

Хромосомы – структурный элемент клетки, находящийся внутри ядра. Они содержат в себе молекулы ДНК, в которых содержится вся наследственная информация.

Строение и виды хромосом:

Отсюда возникают различные типы хромосом:

Равноплечая – центромера перетягивает хроматиды точно посередине;
Неравноплечая – центромера неточно перетягивает хроматиды, из-за чего одно плечо хромосомы будет длиннее, а другое – короче. К этому типу относится Y-хромосома;
Палочковидная – центромера перетягивает хроматиды практически на их концах, из-за чего по форме хромосома напоминает палочку;
Точковые – очень мелкие хромосомы, форму которых трудно определить. В науке существуют 3 основные формы хромосом:
Х-хромосома, встречающаяся у особей женского и мужского пола;
Y-хромосома, встречающаяся только у мужских особей;
В-хромосома, которая очень редко встречается в клетках растений. Обычно их число доходит до 6, редко – до 12. Ее наличие обуславливает различные болезни и побочные эффекты в организме

Всего в клетке человека находится 46 хромосом: 22 пары аутосом, встречающиеся у обоих полов, и одна пара половых хромосом: XY – у мужчин, XX – у женщин. Забавно, что если прибавить к количеству хромосом хотя бы одну пару, то человек мог бы быть шимпанзе или тараканом, а если отнять, то – кроликом.

Еще интересно то, что человек и ясень имеют одинаковое количество хромосом, несмотря на принадлежность к разным видам и царствам.

Генетический код – система записи генетической информации в ДНК и РНК в виде определенной последовательности в цепочке нуклеотидов. Он должен сохранять наследственную информацию в первоначальном виде, восстанавливая повреждения цепочки в последующем поколении с помощью ДНК. Однако ген может каким-то образом быть поврежден, либо в нем может произойти мутация.

Генные мутации – изменение в последовательности нуклеотидов, например выпадение, замена, вставка другого нуклеотида в цепочку. Последствия этих мутаций могут быть полезные, вредные или нейтральные. Примером полезных мутаций является устойчивость к минусовым температурам, увеличенная плотность костей, меньшая потребность во сне, устойчивость к ВИЧ и другие. Примером вредных мутаций является аллергия на солнечный свет, глухота слепота и так далее. К нейтральным мутациям относятся те мутации, которые не влияют на жизнеспособность, например, гетерохромия.

Существуют также летальные и полулетальные мутации. Летальные мутации несовместимы с жизнью и приводят к гибели организма на ранних этапах его развития, например, при рождении у особи отсутствует головной мозг. Полулетальные мутации не приводят к смерти особи, но значительно уменьшают ее жизнеспособность. К таким мутациям относятся заболевания человека, передающиеся по наследству. Например, наличие 47-й хромосомы может вызвать у человека синдром Дауна, а, наоборот, отсутствие 46-й парной хромосомы – сидром Шерешевского-Тернера.

Расшифровка цепочки ДНК

Расшифровка цепочки ДНК в клетке – это исследование всех известных генов в клетках человека. Хоть цена за такую услугу значительно упала за последние десять лет, однако такое исследование по-прежнему остается дорогим удовольствием, и не каждый человек сможет позволить себе оплатить такую услугу. Чтобы уменьшить цену этого исследования, расшифровку ДНК стали делить по тематикам. Таким образом, появились различные тесты, которые исследуют интересующую человека группу генов и ее функции.

Как происходит расшифровка цепочки ДНК?

Взятые на пробу образцы ДНК нагревают, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две нити.
К интересующему участку цепочки генов прилепляется полимераза - фермент, синтезирующий полимеры нуклеиновых кислот. Процедура проходит при низких температурах.
С помощью полимеразы в интересующих участков происходит синтезов генов, необходимых для изучения.
Участки пропитывают светящейся краской, которая светится при лазерном воздействии.

Таким образом, ученые получают картину гена, которую можно изучить и расшифровать. Синтез РНК Нуклеотиды делятся на четыре базовых элемента, служащими основой для формирования генов: АТГЦ, или аденин, тимин, гуанин, цитозин. В их состав входят фосфорные остатки, азотистые основания и пептоза.

В ДНК эти нуклеотиды располагаются строго по парам параллельно друг другу строгими парами: аденин - с тимином, гуанин - с цитозином.

Важно, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты не должна выходить за пределы мембраны ядра. С помощью РНК, которая играет роль копии участка цепи с генетическим кодом, генетическая цепочка может покинуть ядро, попасть вовнутрь клетки и воздействовать на ее внутренние процессы.

Как это происходит:

Один конец генной спирали раскручивается, формируя две развернутые нити с цепочкой генов.
К развернутому участку спирали подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует его копию.
У копии в структуре нуклеотидов тимин во всех парах заменяется на урацил, что позволяет копии генетической цепи покинуть ядро клетки. Синтез белка при помощи генов Основное взаимодействие, происходящее между генами и клеткой, состоит в том, что различные гены могут заставлять клетку производить синтез разных белков с самыми непредсказуемыми свойствами.

Итак, группа генов, участвующих в процессе старения клеток может, как заставить процесс старения идти быстрее, так и вовсе его остановить и запустить процесс омолаживания. То есть, каждый из генов может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Сутягина Дарья Сергеевна
Эксперт-генетик
В нашей ДНК содержится очень много информации, но пока мы можем расшифровать лишь небольшой процент генов. Добавлю несколько интересных фактов о ДНК: возможность двойной ДНК у человека. Такое явление случается, когда при беременности в утробе развиваются близнецы, но в процессе развития плода они сливаются в одного человека. Длина одной молекулы ДНК человека равна 2 метрам, а общая длина цепочки ДНК всех клеток тела человека равна 16 млрд. километрам, что равно расстоянию от Земли до Плутона. ДНК человека и кенгуру всего лишь 150 млн. лет назад были одинаковыми. Все знания и информация во всем мире могла бы уместиться всего лишь в 2 граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Высокая фрагментация ДНК сперматозоидов может быть одной из причин нарушения мужской фертильности. Это явление открыто совсем недавно. Раньше такую форму бесплодия относили к идиопатической, то есть с неустановленным механизмом. Сегодня ученые приблизились к пониманию того, почему у мужчин с относительно нормальными показателями спермограммы не удается реализовать фертильные планы. Зачастую у партнерши беременность наступает, но при этом прерывается на ранних этапах развития. И такая ситуация, как правило, повторяется неоднократно.

Что такое фрагментация ДНК сперматозоидов?

Генетический материал от клетки к клетке передается с помощью ДНК, определенные последовательности которой кодируют конкретные белки. ДНК – это большая молекула, состоящая из 2 нитей. В трехмерном пространстве они тесно переплетены друг с другом и закручены по спирали. Однако в этих нитях (в одной или 2 сразу) могут возникать разрывы, то есть образуются фрагменты. Этот процесс и называется фрагментацией, при этом нарушается правильная передача генетического материала. Выявление фрагментации ДНК в сперматозоидах может помочь определить причины нарушенной фертильности у мужчины.

Причины фрагментации

До сих пор ученым не удалось выяснить, почему происходит ДНК фрагментация ядра сперматозоидов. Предполагают, что причиной этого патологического процесса могут быть:

В качестве другой причины рассматривается апоптоз. Время жизни каждой клетки определено генетическим кодом. Так, в норме примерно 75% предшественников сперматозоидов погибают. Погибшие клетки либо выходят в семенные канальцы, либо поглощаются особыми клетками под названием Сертоли. Если имеются нарушения сперматогенеза, то количество сперматозоидов, вступающих в апоптоз, возрастает. Часть этих клеток попадает в сперму, а наличие фрагментации ДНК указывает на начало гибели.

В последнее время все больше ученых сходятся к мнению, что повышенный уровень ДНК фрагментации сперматозоидов возникает в условиях окислительного стресса. Это процесс повреждения клетки, который вызван чрезмерно высокой концентрацией свободных радикалов. В особенности опасны активные формы кислорода, мишенью которых становится ДНК сперматозоидов. В результате в макромолекуле появляются разрывы. В клетках организма, за исключением сперматозоидов, в цитоплазме содержится антиоксидантная защита, при достаточной активности которой свободные радикалы ингибируются. Однако сперматозоид практически лишен этого механизма, т.к. основу его клетки составляет ядро, а объем цитоплазмы минимален. Антиоксидантная защита спермия зависит от уровня антиоксидантов в секрете половых путей. Если этих веществ мало, развивается окислительный стресс, увеличивается количество разрывов ДНК в сперматозоидах, и как следствие – снижается мужская фертильность.

Степень фрагментации ДНК сперматозоидов определяется также образом жизни, особенностями генетики и воздействием неблагоприятных факторов среды.

Показания к анализу

Определение степени фрагментации ДНК сперматозоидов рекомендуется выполнить в следующих случаях:

первичное и вторичное бесплодие у мужчин;
наличие невынашивания беременности, особенно при 2 и более подряд эпизодах;
неоднократные случаи замершей беременности;
неудачные попытки ЭКО;
отсутствие в анамнезе и по данным обследования явных причин мужского бесплодия: аномалий кариотипа и непроходимости семявыносящих путей.

Типы тестов и подготовка к исследованию

Существует несколько методов исследования фрагментации ДНК сперматозоидосв:

TUNEL – это самый часто используемый анализ ДНК фрагментации сперматозоидов, который отличается высокой информативностью. Проводится прямое мечение разрывов ДНК специальным красителем (флюорохромом) и измерение интенсивности люминесценции.
COMET – электрофорез единичных клеток.
Halosperm – проводится окраска толуидиновым синим с оценкой светящегося ореола вокруг клетки в световом микроскопе.
SCSA – окрашивание акридиновым оранжевым с последующей микроскопической оценкой.

Подготовка к анализу ДНК фрагментации сперматозоидов предполагает со стороны пациента половое воздержание (обычно 2-3 дня), исключение алкоголя, табакокурения и чрезмерных физических нагрузок.

Как проводится анализ

Спермограмма с ДНК фрагментации сперматозоидов TUNEL предполагает сдачу сперму по стандартной методике. Лаборант наносит мазки эякулята на предметное стекло, а затем обрабатывают и окрашивают для идентификации ДНК. Визуальную оценку содержания сперматозоидов с ДНК проводят с помощью микроскопа.

Расшифровка фрагментации ДНК сперматозоидов

Норма ДНК фрагментации сперматозоидов – менее 15%. Низкое содержание сперматозоидов с фрагментацией ДНК исключает отцовские нарушения генетического материала в качестве потенциальной причины бесплодия или невынашивания беременности.
Пограничный результат фрагментации ДНК сперматозоидов – 15-27%. В этой ситуации требуется дополнительное обследование с соблюдением рекомендаций по подготовке.
Высокое значение – количество сперматозоидов с фрагментированной ДНК превышает 27-30%.

Лечение фрагментации ДНК сперматозоидов

Лечение фрагментации ДНК сперматозоидов основано на применении антиоксидантов. Это специальные витаминно-минеральные комплексы для мужчин. Они содержат витамин Е, С, железо и другие компоненты антиоксидантной системы.

Последствия и опасность высокой ДНК-фрагментации

Чем больше в мужской половой клетке одно- и двухцепочных разрывов ДНК, тем более поврежденным является генетический материал. Однако даже сперматозоиды с большим количество фрагментаций ДНК могут приводить к оплодотворению яйцеклетки. Однако в последующем развитие эмбриона может быть нарушено. Чаще всего это проявляется прерыванием беременности (самопроизвольный выкидыш или неразвивающаяся беременность).

Повышенная фрагментация ДНК сперматозоидов (более 30% спермиев имели разрывы нитей ДНК) может быть ассоциирована с плохими результатами применения методов вспомогательной репродукции. Так, в исследованиях было показано, что если такие спермии использовались в цикле ЭКО и ИКСИ (интрацитоплазматическая инъекция сперматозоидов), то в одних случаях частота наступления беременности была невысокой, а в других – повышалась частота встречаемости невынашивания беременности.

Высокий индекс фрагментации ДНК сперматозоидов, как правило, ассоциирован с неправильным формированием бластоцисты (структура, которая образуется через несколько часов после соединения сперматозоида с яйцеклеткой) и нарушением процесса имплантации (внедрения бластоцисты в слизистую оболочку матки). Оплодотворение у мужчин с повышенным содержанием сперматозоидов с фрагментацией ДНК обычно не страдает. Беременность наступает, но последующая программа ее развития нарушена.

Изменение целостности ДНК сперматозоидов может служить причиной появления врожденных пороков и генетических заболеваний плода. Если яйцеклетка имеет нормальное строение, но при этом оплодотворена фрагментированным сперматозоидом, то около 8% повреждений могут быть восстановлены. Однако восстановление с ошибками может приводить к появлению мутаций. Примерно 80% структурных перестроек хромосом, возникших вновь, имеют отцовское происхождение. У детей, которые рождены от отцов с большим количеством фрагментированных сперматозоидов, частота раковых заболеваний в раннем детском возрасте может быть повышена в 4-5 раз.

Ответы на популярные вопросы

Помогает ли стандартная спермограмма в оценке фрагментации ДНК сперматозоидов?

Где можно провести тест на фрагментацию ДНК сперматозоидов?

Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, и ее воспроизведение основано на том, что каждая цепь двойной спирали служит матрицей для сборки новых молекул.

Сегодня мы знаем, что молекула ДНК является носителем кода, который управляет химизмом всего живого (см. Центральная догма молекулярной биологии), а двойная спираль молекулы ДНК стала одним из самых известных научных символов. Открытие ДНК, как и практически все великие открытия, не было результатом работы одинокого гения, а увенчало собой длинную цепь экспериментальных работ. Так, эксперимент Херши—Чейз продемонстрировал, что носителем генетической информации в клетках является именно ДНК, а не белки. Еще в 1920-е годы американский биохимик родом из России Фибус Левин (Phoebus Levene, 1869–1940) установил, что основные кирпичики, из которых построена ДНК, — это пятиатомный сахар дезоксирибоза (она обозначена буквой Д в слове ДНК), фосфатная группа и четыре азотистых основания — тимин, гуанин, цитозин и аденин (их обычно обозначают буквами Т, Г, Ц и А). В конце 1940-х годов американский биохимик австрийского происхождения Эрвин Чаргафф (Erwin Chargaff, р. 1905) выяснил, что во всех ДНК содержится равное количество оснований Т и А и, аналогично, равное количество оснований Г и Ц. Однако относительное содержание Т/А и Г/Ц в молекуле ДНК специфично для каждого вида.

В начале 1950-х годов стали известны два новых факта, пролившие свет на природу ДНК: американский химик Лайнус Полинг (Linus Pauling, 1901–94) показал, что в длинных молекулах, например белках, могут образовываться связи, закручивающие молекулу в спираль, а в лондонской лаборатории Морис Уилкинс и Розалинда Франклин получили данные рентгеноструктурного анализа (основанные на усовершенствованном применении закона Брэгга), позволившие предположить, что ДНК имеет спиральную структуру.

Чтобы лучше представить себе полученные ими результаты, вообразите длинную лестницу. Вертикальные стойки этой лестницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Важную функциональную информацию в молекуле несут ступеньки лестницы. Они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — четыре азотистых основания — представляют собой одиночные или двойные кольца, содержащие атомы углерода, азота и кислорода и способные образовывать две или три водородные связи (см. Химические связи) с другими основаниями. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного типа: между А и Т и между Г и Ц. Другие связи возникнуть не могут. Следовательно, каждая ступенька представлена либо А—Т либо Г—Ц. Теперь вообразите, что вы берете собранную таким образом лестницу за два конца и скручиваете — вы получите знакомую двойную спираль ДНК.

Читайте также: