Комплементарность (биология). Комплементарность это в биологии.

Закон позволил детально изучить механизм наследственных заболеваний, проанализировав их патогенез.

Комплементарность (биология)

Комплементарность (в химии, молекулярной биологии и генетике): взаимное соответствие молекул биополимеров или их частей, которое обеспечивает образование связей между пространственно комплементарными (взаимодополняющими) частями молекул или их структурными частями за счет супрамолекулярных взаимодействий (образование водородных связей, гидрофобных взаимодействий, электростатических взаимодействий заряженных функциональных групп и т.д.).

Взаимодействие комплементарных сегментов или биополимеров не сопровождается образованием ковалентных химических связей между комплементарными сегментами, однако пространственное взаимное соответствие комплементарных сегментов приводит к образованию многочисленных относительно слабых связей (водородных и ван-дер-ваальсовых) с достаточно высокой суммарной энергией, в результате чего образуются стабильные молекулярные комплексы.

Однако следует отметить, что механизм каталитического действия ферментов определяется комплементарностью фермента и переходного состояния или интермедиата катализируемой реакции — и в этом случае может возникать обратимая химическая связь.

Комплементарность нуклеиновых кислот

В нуклеиновых кислотах, как олиго-, так и полинуклеотидах, азотистые основания нуклеотидов могут образовывать парные комплексы аденин-тимин (или урацил в РНК) и гуанин-цитозин при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот за счет образования водородных связей. Это взаимодействие играет ключевую роль в некоторых основных процессах хранения и передачи генетической информации: Репликация ДНК, которая обеспечивает передачу генетической информации во время деления клетки, транскрипция ДНК в РНК во время синтеза белков, кодируемых геномной ДНК, хранение генетической информации в двухцепочечной ДНК и процессы репарации ДНК в случае ее повреждения.

ДНК

Принцип комплементарности применяется при синтезе ДНК. Он представляет собой строгую пару азотистых оснований, соединенных водородными связями: A-T (аденин связан с тимином) G-C (гуанин связан с цитозином).

Ферментативный катализ

Комплементарное связывание фермента с субстратом является ключевым фактором в механизме активности фермента и, в отличие от описанных выше ситуаций с образованием химически несвязанных комплексов, может привести к инициации химической реакции — в случае связывания фермента с субстратом комплементарность относительно низкая, но когда комплементарность высока по отношению к реакционному переходному состоянию субстрата, происходит стабилизация этого состояния, что приводит к исходу реакции.

• Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.

Описание спирали

Репликация молекулы ДНК основана на следующем принципе: цепь может быть использована в качестве матрицы для построения новой молекулы. Расщепление приводит к саморепликации или репликации. Суть этого процесса заключается в том, что каждая дочерняя клетка получает копию материнской ДНК. Основная функция соединения — передача наследственной информации.

Сама молекула состоит из следующих форм РНК:

• информационные либо матричные;
• транспортные;
• рибосомные.

В отличие от ДНК, они обладают следующими характеристиками: Азотистое основание тимин отсутствует, вместо него используется урацил. В нем нет сахара, но есть рибоза. Определение структуры одноцепочечных белков зависит от количества и порядка расположения аминокислот в пептидных цепях. Эта информация кодируется с помощью генетического кода (ГК).

Это представляется как единая система записи генетической информации. Аналогичная последовательность нуклеотидов в ДНК определяет цепочку аминокислот в белке. Строительный блок GC представлен в виде кодирующего тринуклеотида. Кодирующая пара должна соответствовать аминокислотной последовательности белка.

Поскольку существует 4 различных нуклеотида, общее число кодонов равно 64. Информация о некоторых аминокислотах может храниться только в 61 аминокислоте. Остальные 3 стоп-кодона указывают на то, что трансляция полипептидной цепи остановлена.

Свойства и катаболизм

Свойства ГК изучаются на уроках биологии в средней школе. Кодон может образовывать только одну аминокислоту. Запятые не используются при транскрипции мРНК. При кодировании должно выполняться следующее условие: одна аминокислота кодируется разными кодами. Примеры других свойств молекул:

• Кроме вирусов, у каждого нуклеотида один кодон.
• ГК одинаков для всех организмов.
• Триплеты в ДНК идут в последовательности, аналогичной для аминокислот в белке.

Чтобы понять, что такое принцип дополнительности, нам нужно рассмотреть некоторые процессы: Поглощение и переваривание нуклеиновых кислот (НК), катаболизм (энергетический обмен). Ученые доказали, что организм способен усваивать до 1 г НК в день. Процесс пищеварения происходит в тонком кишечнике. Ферменты сначала превращают НЦ в мононуклеотиды.

В тонком кишечнике фосфорная кислота удаляется из веществ. Образуются нуклеозиды. Некоторые из них расщепляются на углеводы и азотистые основания. Задержка NK является задачей печени. Процесс энергетического метаболизма, деградации или катаболизма — это расщепление сложных компонентов на более простые. Каждое вещество окисляется. Это явление сопровождается выделением энергии в виде молекул АТФ и тепла.

В клетках обмен РНК происходит более интенсивно, чем обмен ДНК. На заключительном этапе процесса НК разделяются на следующие компоненты:

• углеводы;
• азотистые основания (АС);
• фосфорная кислота.

Пуриновые НЦ теряют свою аминогруппу в процессе катаболизма, окисляются и превращаются в мочевую кислоту. Пиримидиновые НЦ сильно разлагаются на воду, углекислый газ и аммиак. Углеводы преобразуются в глюкозу. Фосфорная кислота не разлагается. Он участвует в реакциях фосфорилирования и фосфатирования или выделяется в избытке с мочой.

Принцип комплементарности регулирует взаимодействие, дупликацию или репликацию молекул ДНК. В соответствии с этим принципом образуется дочерняя нить. Когда материнская клетка делится в следующий раз, каждая дочерняя клетка получает копию молекулы ДНК. Она идентична структуре матери. Этот процесс обеспечивает тонкую передачу генетической информации между поколениями.

Точность совпадения комплементарных пар оснований зависит от правильной репликации. Другие особенности явления:

• матричность — однозначное определение последовательности синтезируемой цепочки;
• полуконсервативность — структура, образованная при репликации, считается вновь синтезированной, а другая — материнской;
• направленность — идёт от пятого конца новой цепи к третьему;
• полунепрерывность — постоянный синтез одной молекулы и набор фрагментов второй цепи.

Репликация происходит в несколько этапов. Молекулы предварительно расщепляются с помощью хелатирующего фермента. Формируются молекулы, на которых будет происходить синтез новых линий. На следующем этапе новые нуклеотиды стабилизируются в соответствии с принципом комплементарности. Новые клетки разветвляются и скручиваются в спираль. За одну секунду размножается 750 нуклеотидов.

Основная функция молекулы — хранить записанную на ней генетическую информацию и передавать ее следующему поколению. Благодаря принципу комплементарности, при репликации образуется точная копия исходной молекулы. Таким образом, образуются новые клетки, идентичные родительской клетке.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и Принцип комплементарности

Большая часть ДНК сосредоточена в хромосомах клетки. Небольшая его часть находится в митохондриях и пластидах. У прокариот существует циркулярная ДНК — плазмиды. ДНК представляет собой длинную полинуклеотидную цепь, длина которой может достигать 10 метров. Следовательно, он имеет высокую молекулярную массу. ДНК находится в ядре клетки и образует компактную структуру. Это происходит благодаря взаимодействию с основным белком — гистоном (от греч. histos — ткань). Гистоны одинаковы почти у всех эукариот. Двойная спираль ДНК обвивает молекулы гипофиза, образующие ядро, и имеет почти в пять раз большую длину. Образуется нуклеосома (от латинского nucleus — ядро от греческого soma — тело). Нуклеосомы взаимодействуют с другими белками и образуют суперординатную спираль.

Первооткрыватели структуры ДНК

Американский биохимик Дж. Уотсон и английский генетик Ф. Крик в 1953 году предложили модель пространственной структуры ДНК. Позже это было подтверждено экспериментально. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Они соединены водородными связями, образованными между нуклеотидами: две между аденином и тимином и три между цитозином и гуанином. Каждый нуклеотид расположен в плоскости, перпендикулярной оси спирали. Согласно предложенной модели, две полинуклеотидные цепи ДНК образуют спираль по часовой стрелке — вторичную структуру ДНК. Спирали ДНК являются разнонаправленными. Расстояние между азотистыми основаниями составляет 0,34 нм. Шаг спирали составляет 3,4 нм, она содержит десять азотсодержащих пар оснований, а диаметр спирали составляет около 2 нм. Спираль ДНК может пространственно уплотняться и образовывать супернити, третичную структуру.

Это возможно благодаря тому, что ДНК связывается с ядерными белками.

Последним уровнем структурной организации ДНК является хромосома, которая наиболее компактна при делении. Во многих прокариотах, некоторых вирусах, митохондриях и эукариотических хлоропластах ДНК имеет кольцевую структуру и не связана с белками.

Американский ученый Э. Чаргафф и его коллеги изучали синтез ДНК в 1950 году и обнаружили определенные закономерности. Правило Чаргаффа для ДНК: количество адениловых нуклеотидов соответствует количеству тимидиловых нуклеотидов, а количество гуаниловых нуклеотидов соответствует количеству цитозидиловых нуклеотидов, т.е. A = T, G = C, или A + G (C) = T + C (G). Соотношение (A + G)/(T + CD) = 1.

Принцип комплементарности

Принцип комплементарности (от лат. complementum — дополнение) — это правило строгого соответствия: аденин (А) — тимину (Т) или урацилу (U), гуанин (G) — цитозину (Ts).

Молекулы ДНК способны к самовоспроизведению — репликации (от replica — копия), редупликации (от лат. d uplicatio — повторение). Он основан на принципе взаимодополняемости. Во вновь образованной цепи порядок нуклеотидов определяется их порядком в цепи первичной молекулы ДНК. Одна цепь принадлежит исходной молекуле, а другая синтезируется. Этот метод называется полуконсервативным. Синтез новых цепей катализируется ферментом ДНК-полимеразой. Этот фермент движется вдоль каждой цепи от Z’ конца к 5′ концу. Репликация начинается одновременно в нескольких участках ДНК. Затем синтезированные цепи ДНК соединяются вместе, образуя единую цепь. Репликация происходит во время синтетического периода промежуточной фазы. Скорость репликации ДНК у млекопитающих составляет около 50 нуклеотидов в секунду. Любое повреждение может возникнуть под воздействием внешних факторов. Они могут быть восстановлены в матрице второй нити. Соответствующие ферменты удаляют поврежденные участки и вводят новые. Этот процесс называется ремонтом.

Двухцепочечная ДНК при определенных условиях (воздействие кислот, щелочей, высоких или низких температур и т.д.) может полностью или частично расщепляться на отдельные цепи и терять свою биологическую активность. Происходит денатурация ДНК, т.е. разрываются водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями. После прекращения действия активных веществ ДНК может восстановить свою структуру двойной спирали, т.е. может произойти процесс ресатурации.

Регулирующие функции править

Комплементарность может быть обнаружена между небольшими фрагментами нуклеиновой кислоты и кодирующей областью или транскрибируемым геном, что приводит к сцеплению оснований. Эти короткие последовательности нуклеиновых кислот широко распространены в природе и выполняют регуляторные функции, например, репрессию генов. 1

Антисмысловые расшифровки

Антисмысловые транскрипты — это участки некодирующей мРНК, которые комплементарны кодирующей последовательности. 7 Цельногеномные исследования показали, что транскрипты антисмысловых РНК широко распространены в природе. В целом считается, что они расширяют возможности кодирования генетического кода и добавляют общую сложность в регуляцию генов. На сегодняшний день известно, что 40% генома человека транскрибируется в обоих направлениях, что подчеркивает потенциальную важность обратной транскрипции. 8 Было предположено, что комплементарные участки между логическим и обратным транскриптами позволяют образовывать двухцепочечные гибриды РНК, которые могут играть важную роль в регуляции генов. Например, мРНК фактора 1a, индуцируемого гипоксией, и мРНК β-секретазы транскрибируются двунаправленно, и было показано, что антисмысловой транскрипт действует как стабилизатор логического транскрипта. 9

миРНК и миРНК

МиРНК, микроРНК — это короткие последовательности РНК, которые комплементарны участкам транскрибируемого гена и выполняют регуляторные функции. Современные исследования показывают, что циркулирующие миРНК могут быть использованы в качестве новых биомаркеров, поэтому имеются многообещающие доказательства их использования в диагностике заболеваний. 10 МиРНК образуются из более длинных последовательностей РНК, которые отделяются от последовательности РНК, происходящей от регуляторного гена, ферментом Dicer. Эти короткие цепи связываются с комплексом RISC. Благодаря своей комплементарности они перекрываются с последовательностями в области верхнего течения транскрибируемого гена, поэтому они действуют как сайленсеры для гена тремя способами. Первый — это препятствование связыванию рибосомы и началу перевода. Второй — разрушение мРНК, с которой связывается комплекс. И третья — обеспечить новую последовательность двухцепочечной РНК (дсРНК), на которую Dicer может нацелиться, чтобы создать больше миРНК, которые найдут и уничтожат больше копий гена. Малые интерферирующие РНК (миРНК) по своей функции похожи на миРНК; они происходят из других источников РНК, но служат той же цели, что и миРНК. 1 Из-за их короткой длины правила комплементарности позволяют им быть очень разборчивыми в выборе своих мишеней. Учитывая, что для каждого основания в цепи существует четыре варианта, а длина mi/siRNA составляет 20-22 п.н., это приводит к более чем 1 × 10 12 возможным комбинациям. Учитывая тот факт, что геном человека является ~ длиной 3,1 миллиарда оснований,11 это означает, что каждой миРНК нужно найти совпадение только один раз случайно во всем геноме человека.

Целующиеся шпильки

«Поцелуйные» шпильки возникают, когда цепь нуклеиновой кислоты завершается и образует шпилевидные петли РНК. 12 Когда две шпильки вступают в контакт in vivo, комплементарные основания двух нитей образуются и начинают раскручивать шпильки, пока не образуется комплекс двухцепочечной РНК (дсРНК) или комплекс не перемотается в две отдельные цепи из-за несовпадения шпилек. Вторичная структура шпильки до поцелуя обеспечивает стабильную структуру с относительно постоянным изменением энергии. 13 Цель этих структур — установить баланс между стабильностью шпилечной петли и силой связывания комплементарной цепи. Слишком сильная начальная связь в неблагоприятном положении приведет к тому, что нити не будут разматываться достаточно быстро; слишком слабая начальная связь приведет к тому, что нити никогда не образуют желаемый комплекс. Эти шпильки позволяют воздействовать на достаточное количество оснований, чтобы обеспечить достаточно сильный контроль над начальным связыванием и достаточно слабое внутреннее связывание, так что связывание может быть изменено на противоположное, как только будет найдено подходящее соответствие. 13

Биоинформатика править

Комплементарность позволяет хранить информацию, содержащуюся в ДНК или РНК, на одной нити. Комплементарная нить может быть распознана матрицей и наоборот, как в случае библиотек кДНК. Это также позволяет проводить такие анализы, как сравнение последовательностей двух разных видов. Были разработаны сокращения для захвата последовательностей в случае несовпадений (коды неоднозначности) или для ускорения считывания противоположной последовательности в комплементе (амфиграмма).

Библиотека кДНК

Библиотека кДНК — это коллекция экспрессированных генов ДНК, которая считается полезным эталонным инструментом для идентификации и клонирования генов. Библиотеки кДНК создаются из мРНК с помощью обратной транскриптазы РНК-зависимой ДНК-полимеразы (RT), которая транскрибирует матрицу мРНК в ДНК. Поэтому библиотека кДНК может содержать только те вставки, которые предназначены для транскрипции в мРНК. Эта процедура основана на принципе комплементарности ДНК/РНК. Конечным продуктом библиотек является двухцепочечная ДНК, которая может быть вставлена в плазмиды. Поэтому библиотеки кДНК являются мощным инструментом в современных исследованиях. 1 14

Коды неоднозначности

При создании последовательностей для систематической биологии может потребоваться код ИЮПАК, означающий «один из двух» или «один из трех». Код ИЮПАК R (любой пурин) комплементарен Y (любому пиримидину), а M (амино) — K (кето). W (слабый) и S (сильный) обычно не чередуются, но в прошлом некоторые учреждения их чередовали. 16 W и S означают «слабый» и «сильный» соответственно и указывают на количество водородных связей, которые нуклеотид использует для создания пары со своим комплементарным партнером. Партнер использует такое же количество связей для формирования другой пары. 17

Код IUPAC, который специально исключает один из трех нуклеотидов, может быть комплементарен коду IUPAC, который исключает комплементарный нуклеотид. Например, V (A, C или G — «не T») может быть комплементарным к B (C, G или T — «не A»).

Символ 18	Описание	Представленные базы
А	Денин	А	1
C	с йтозином	C
Грамм	г уанина	Грамм
Т	тимин	Т
U	u	U
W	g EAC	А	Т	2
S	с Чонг	C	Грамм
M	m	А	C
K	k eto	Грамм	Т
р	Pou Gine	А	Грамм
Y	п у римидин	C	Т
B	не A (B идет после A)	C	Грамм	Т	3
D	не C (D идет после C)	А	Грамм	Т
ЧАС	не G (H идет после G)	А	C	Т
V	не T (V идет после T и U)	А	C	Грамм
N или —	n в нижней части (не пустой)	А	C	Грамм	Т	4