Сверхспирализация
В главной молекуле комплементарные цепи обвивают друг друга, как лианы. Когда они замыкаются, то два кольца сцепляются так, что их невозможно развести. Существующий в ней порядок зацепления 2-х цепей не может измениться. При этом замкнутая молекула ДНК обладает особыми свойствами, которые резко отличаются от линейной молекулы. Дело же в том, что в кольцевом образовании запасается впрок энергия в виде так называемых сверхвитков.
Отсюда специалисты сделали вывод, что сверхспирализация не исключение, а правило. Но разговор-то шёл о выделенных из клеток молекулах. А какую форму они имеют внутри клеток? Выяснилось, что там они совсем другие. То есть сверхспирализация представляет собой реакцию на насильственное извлечение главной молекулы из родной стихии. Ведь условия, в которых находится ДНК внутри клетки, кардинально отличаются от условий вне её.
В клетке главная молекула связана с белками, которые раскрывают двойную спираль и расплетают в этих местах 2 цепи. Но если молекулу очистить от белков, то она тут же перейдёт в сверхспирализованное состояние. Так вначале объяснили явление сверхспирализации, не придав ему никакого биологического значения. Однако впоследствии выяснилось, что всё не так просто.
В наши дни существует много гипотез о роли сверхспирализации в работе клетки. Мы рассмотрим одну из них, которая кажется наиболее простой и правдоподобной. Возникла эта гипотеза на том основании, что перед тем, как начать удваиваться, главная молекула закручивается в сверхспираль. Но для процесса репликации такая спираль не нужна. Более того, часто перед этим процессом одна из цепей ДНК рвётся. Разрыв делает специальный белок. Получается бессмыслица: один белок закручивает молекулу в сверхспираль, а другой немедленно ликвидирует.
Объяснение этому может быть только одно: клетка проверяет свою главную молекулу на целостность сахаро-фосфатной цепи. То есть имеет место своеобразный технический контроль на молекулярном уровне. Иными словами, в клетке существует репарирующая система, которая залечивает повреждения. Для этого у неё имеется множество ферментов. Нуклеазы рвут цепь ДНК вблизи повреждённого нуклеотида. Другие ферменты удаляют испорченное звено. При этом генетическая информация сохраняется, и удалённая часть цепи восстанавливается.
Таким образом, клетка постоянно залечивает раны, которые наносятся главной молекуле. Что случится, если одновременно с ремонтом начнётся процесс репликации? Дойдя до разрыва цепи, полимераза, осуществляющая репликацию, остановится. В результате не сможет идти ни один, ни другой процесс. Это катастрофа. Поэтому репликацию следует начинать только после завершения ремонта. А как в этом убедиться?
Вот тут на помощь и приходи сверхспирализация. Ведь она возможна лишь в той главной молекуле, у которой обе цепи целые. А проверить это очень просто. У сверхспирали гораздо легче развести комплементарные цепочки, то есть раскрыть двойную спираль. Если же цепь не разводится, то необходимо ждать, так как главная молекула пока ещё не готова к воспроизведению. Отсюда следует вывод: кольцевая молекула ДНК обеспечивает сверхспирализацию. Ведь в линейной цепи её осуществить невозможно.
Способы репликации
Репликация молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты напрямую связана со способом упаковки и хранения наследственной информации.
Репликация – воспроизводство дочерней ДНК по матрице родительской макромолекулы ДНК. Выделяют три основных вида:
- консервативный (без раскручивания спирали);
- полуконсервативный (родительская спираль раскручивается, и обе части являются матрицами для синтеза дочерних макромолекул);
- дисперсивный (родительская ДНК распадается на множество фрагментов, которые и берутся за основу для синтеза дочерних макромолекул).
В бактериальной клетке репликация идет по полуконсервативному пути. Раскручивание родительской молекулы происходит в результате воздействия ферментов, а по завершении процесса репликации и оформления двух нуклеоидов в теле бактериальной клетки, процесс деления входит в свою самую активную фазу.
Митохондрии
Обеспечение живой клетки энергией – ответственная миссия. Если она будет провалена, никакой речи о делении и наследстве идти не будет.
В бактерии, в которой отсутствуют специальные органеллы (митохондрии) для синтеза АТФ, энергия производится непосредственно в цитоплазме и потребляется всеми клеточными структурами.
У эукариотов совершенно другая картина. Большие клеточные конструкции не могут себе позволить пустить на самотек процесс обеспечения всех своих составляющих энергией. Именно для этих целей служит своеобразная энергетическая станция – митохондрия.
Митохондрия также содержит ДНК с наследственной информацией, и так же, как в бактерии, эта ДНК не упакована в оформленное ядро, а покоится внутри митохондрии, в качестве двуспиральной кольцевой макромолекулы.
Независимо от того, какая деятельность по передаче наследственной информации происходит в ядре эукариота, митохондрия самостоятельно осуществляет процесс репликации собственной ДНК.
Выработка АТФ митохондрией происходит по тому же пути, что и у бактерий:
- при окислительно-восстановительных реакциях;
- в результате работы мембранного (речь идет о мембране митохондрии) АТФ-синтетазного комплекса.
Именно эти процессы являются основными при снабжении бактерии энергией, и митохондрия эукариота их дублирует.
Проблематика
Помимо исключительно научного интереса в изучении ДНК бактерий, механизм репликации и передачи наследственной информации от одной клетки к другой также имеют исключительную практическую важность. Более того, благодаря горизонтальному переносу генов (не в процессе деления, а в процессе простого контакта одной бактерии с другой) такая генетическая информация также передается, делая устойчивыми к антибиотикам все большее количество видов бактерий
Более того, благодаря горизонтальному переносу генов (не в процессе деления, а в процессе простого контакта одной бактерии с другой) такая генетическая информация также передается, делая устойчивыми к антибиотикам все большее количество видов бактерий.
Изучением этих свойств бактерий, определением того, как посторонний ген включается в общую структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты, и занимается современная микробиология.
Главная структурная единица всего живого
Колоссальное многообразие животного мира на планете поражает воображение. Нет такого уголка на Земле, где не существовали бы маленькие и большие существа. Жаркие пески пустынь, холодные льды Арктики, глубоководные впадины океанов – их можно встретить повсюду. Но, как ни странно звучит, все они имеют общую структурную единицу – клетку.
У одноклеточных все функциональные элементы организма помещены в одну-единственную клетку. К их числу принадлежат:
- бактерии;
- ряд грибов:
- простейшие;
- сине-зеленые водоросли.
Остальные организмы имеют многоклеточную структуру. Клетки четко взаимодействуют между собой и формируют внутренние органы, соединительные ткани или структуры. Например, в человеческом организме их насчитывается более 3 тысяч миллиардов. Благодаря их слаженной работе человек жизнеспособен.
Размер клеточек очень мал и составляет меньше 1 мм. Впервые обнаружить тот факт, что организмы имеют клеточное строение, удалось 300 лет назад. Изобретение первого микроскопа значительно упростило изучение структурных единиц.
Живая клетка, несмотря на свои микроскопические размеры, имеет сложное строение:
- мембрана:
- цитоплазма;
- ядро.
Отличительной чертой бактериальной клетки является то, что у нее нет четко оформленного ядра. Поэтому бактерии и сине-зеленые водоросли относятся к отдельному классу прокариотов.
Бактериальные особенности шифрования
Основное скопление спиралей ДНК у бактерий находится в большой кольцевой молекуле. Называется она бактериальной хромосомой.
Но, кроме того, бактериальная клетка снабжена немалым количеством очень мелких кольцевых молекул ДНК под названием плазмиды. Они способны не только размножаться, но и передаваться другим микробам. Лучше всего изучены современной наукой плазмиды, которые несут информацию об устойчивости к медикаментам. В частности, информация о невосприимчивости микроорганизмов к тем или иным антибиотикам помогает разрабатывать действенные лекарственные препараты.
Молекула ДНК – двойная спираль. Это полимер, который представляет собой две спирально закрученные между собой цепи, объединенные водородными связями. Звенья цепи состоят из более простых соединений:
- азотистого основания;
- сахара дезоксирибозы;
- остатка фосфорной кислоты.
Если молекулу ДНК развернуть, то ее длина будет по величине превосходить бактериальную клетку в 1000 раз. В течение длительного промежутка времени считалось, что у бактериальной спирали ДНК нет четкой организации, и все нити хаотично сплетены в большой клубок. Но научные эксперименты показали, что на самом деле бактериальные хромосомы имеют четко упорядоченное устройство. Иначе процесс репликации и последующее рассредоточение хромосом по дочерним клеткам были бы невозможны.
