На чем основана огромная информационная емкость днк например в днк млекопитающих

ДНК: идеальный накопитель

Вопреки распространённому мнению, недолговечность — отнюдь не главная проблема придуманных человеком цифровых накопителей информации. В самом деле, перфокарты и перфоленты способны сохранять данные на протяжении сотен лет, но часто ли вы использовали их в последние сорок? Магнитные барабаны, ленты и диски гарантируют десятки лет беспроблемного хранения — и тем не менее в самых современных персоналках их тоже уже не видно. Не успев осыпаться, выходят из моды оптические диски, и даже NAND эволюционирует на глазах — и лет через десять (как раз номинальный срок для таких чипов) прочитать сегодняшние «флэшки» наверняка будет проблематично. Кто-то грезит «голографией», но, положа руку на сердце, верите ли вы, что она протянет дольше своих предшественников?

Правильный ответ таким образом заключается не в собственно сроке жизни, а в быстрой смене технологий хранения информации. С одной стороны, этот технологический галоп — благо, ибо позволяет нам наращивать информационные аппетиты, не задумываясь об ограничениях. С другой, это же и проблема: ведь даже мелочь вроде семейного фотоальбома чёрт знает на что записать, чтобы десятилетием позже его по-прежнему можно было просмотреть! С массивами специальных данных ситуация куда хуже: «ключи» к форматам и интерфейсам быстро теряются, после чего про информацию проще забыть.

Потратив полвека на разработку идеального накопителя, мы должны признать, что идеал по-прежнему не достигнут. Каждый год приносит что-нибудь новенькое, что-нибудь более быстрое или ёмкое. И может быть поэтому всё чаще слышится голос небольшой группы энтузиастов-отщепенцев, призывающих почти буквально «вернуться к истокам». Их ругают, называя их труды бесполезной тратой времени, но за последние пятнадцать лет они добились бесспорных успехов. Здесь «группа» не означает, что люди работают в стенах одного института или компании, а только лишь, что объединёны общей идеей. И идея в целом простая: идеальный накопитель информации давно построен. Природой. Это спираль молекулы ДНК.

Несколько упрощая, можно сказать, что для живой клетки спираль ДНК выступает в качестве программы. Клетка, словно станок с числовым программным управлением, считывает с ленты ДНК инструкции, следуя которым, собирает белок. Информационная плотность её огромна: согласно последним оценкам, в одном грамме ДНК можно записать свыше 400 эксабайт — и чтобы представить, насколько велика эта цифра, вспомните, что ещё несколько лет назад всю информацию, накопленную человечеством, оценивали менее чем в две тысячи эксабайт. Даже сделав скидку на неточность, это позволяет считать спираль ДНК самым плотным способом упаковки цифровых данных из всех, практически доступных человеку.

Уникальную вместимость ДНК легко объяснить, воспользовавшись бритвой Оккама: природа, пытаясь минимизировать неблагоприятные внешние воздействия, очевидно, решила задачу хранения информации применением наименьшего количества материалов. Впрочем, собственно ёмкость — опять-таки не самое ценное, что есть в ДНК. Куда ценнее её «технологическая» зрелость.

Считается, что механизм хранения генетической информации появился на Земле одновременно с самой жизнью, то есть как минимум 3,5 миллиарда лет назад (была то спираль ДНК или родственная ей спираль РНК, в контексте нашего разговора несущественно). К сожалению, до нас не дошли столь древние ДНК-цепочки (в естественной среде такая молекула существует около миллиона лет), но те фрагменты, что удалось выделить из законсервированных в кристаллах соли образцов четвертьмиллиардной давности, имеют ту же структуру, что и ДНК-спираль в современных живых существах. Мы можем прочитать их, используя те же инструменты, которыми пользуемся для чтения ДНК дрозофилы, свиньи, человека. Иначе говоря, эффективность хранения информации в ДНК удостоверена самим временем: ни один из придуманных нами накопителей и близко не стоит по степени отлаженности.

Прежде всего, спираль ДНК не может быть бесконечно длинной — отчасти из-за естественных ограничений, отчасти по причине несовершенства современной «пишущей» техники. Это вынуждает разбивать «файл» на отрезки, вмещающие примерно сто байт каждый. Для чтения, впрочем, ДНК всё равно тоже пришлось бы резать, поэтому основная проблема — пометить отрезки, чтобы после чтения их можно было собрать в первоначальном порядке. Принимая во внимание механическую, термическую, химическую хрупкость ДНК (отклонение от комфортных для белковой жизни условий сказывается на сохранности нуклеотидных цепочек губительно), необходимо принять меры и для коррекции ошибок. Всё это заставляет помечать отрезки порядковыми номерами и подвергать помехоустойчивому кодированию (например, кодом Рида-Соломона — тем самым, который применяется, в частности, для оптических дисков).

Последнее достижение, о котором сейчас трубит научная пресса, связано как раз с защитой от неблагоприятных воздействий и принадлежит швейцарским учёным. Они научились обёртывать отрезки ДНК-спирали в нанометровых размеров защитную оболочку из кварцевого стекла. Таким образом удалось, сохранив на ДНК рекордные 83 килобайта данных, прочитать их спустя неделю хранения при температуре 70 градусов Цельсия. При отрицательных температурах данные на таком накопителе сохранились бы на протяжении миллионов лет.

При всей сенсационности, эта работа даёт представление о том, как далеки мы от использования ДНК в качестве искусственного накопителя. Писать в ДНК — всё ещё очень медленное и дорогое удовольствие: запись вышеупомянутых восьми десятков килобайт встала в полторы тысячи американских долларов. Читать из ДНК — удовольствие столь же медленное и дорогое: чтение человеческого генома (длина которого, грубо, измеряется в гигабайтах) хотя бы за тысячу долларов пока остаётся мечтой. К тому же читать можно только файл целиком, доступ к произвольной ячейке организовать удастся лишь после того, как мы научимся читать ДНК единой лентой, без разделения на фрагменты. Но по крайней мере ДНК легко копируется, а это в свою очередь позволяет оптимистам рисовать следующую заманчивую картинку недалёкого будущего.

Итак, представьте, что себестоимость записи и чтения спирали ДНК упала на несколько порядков (к тому идёт). Узнать собственный геном и определить свою предрасположенность к опасным заболеваниям теперь — дело пяти минут и одного визита к врачу. Но теперь грех не применить ДНК и в качестве идеального накопителя. Файл X записывается на ДНК-спираль и (в биореакторе размером со среднюю кастрюлю) тиражируется миллионами миллионов копий. Каждая из них обёртывается защитной оболочкой (хотя бы и по методу, предложенному швейцарцами), после чего помещается в некую инертную жидкость, сливается в пробирку и отправляется, например, в морозильную камеру, где сможет пролежать сотни лет. Или в подземное хранилище на полюсах, где пролежит миллионы.

Не слишком практично? Не слишком. Семейный фотоархив так хранить вряд ли кто-нибудь станет. Однако ёмкость и гарантированная технологическая зрелость такого накопителя позволяют решить с его помощью задачу куда более масштабную и, в общем, важную для цивилизации: организовать архив всей накопленной человеком информации.

ДНК-архив способен вместить всё, вплоть до самых мелких личных страничек и мгновенных сообщений, практически каждый бит, сгенерированный человечеством. Всё то, что влияет на нас, но нигде не сохраняется, и без чего восстановить ход событий для потомков будет невозможно (эту проблему называют цифровой амнезией). Гарантом сохранности станет сама природа: механизм записи и чтения спирали ДНК не изменился за миллиарды лет — значит, хватит и на наш век!

Источник

Биология

Как отражена в строении митохондрий выполняемая ими функция — клеточное дыхание?

 Дихальний ланцюг – це сукупність ферментів, вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрій, які забезпечують перенесення електронів від атомів Гідрогену (окиснення) на кисень (відновлення).У ході цих окисно-відновних реакцій відбувається поступове звільнення енергії хімічних зв’язків і її акумулювання в макроергічних зв’язках АТФ

Внутренняя мембрана имеет складчатую структуру (такие складки называются кристами)
Пространство внутри заполнено матриксом.

Энергетический обмен подразделяется на 3 этапа, последний из которых протекает в митохондриях
Это аэробный этап или дыхание.
Он включает в себя:

Протекает в матриксе митохондрий
-Окислительное фосфорилирование
Протекает на внутренней мембране митохондрий

Помимо этого митохондрии имеют собственный аппарат синтеза белка
Свою днк
И рибосомы

Представлена последовательным размещением на внутренней мембране специальных ферментов — цитохромов, которые поочередно транспортируют протон Водорода. Кристы увеличивают площадь внутренней мембраны, а значит и количество цитохромов

Данную функцию отражает наличие цепи переноса электронов на внутренней мембране митохондрий.

Мария, добрый день! Митохондрия – это двумембранный органоид. На внутренней мембране есть кристы – это впячивания (складки) мембраны, которые увеличивают общую площадь поверхности всей мембраны.На кристах находятся ферменты дыхательной цепи, чем больше крист, тем эффективнее идет дыхание. Пространство между внутренней и внешней мембраной служит резервуаром для ионов водорода, которые откачиваются сюда участниками дыхательной цепи. Направленный поток ионов водорода из межмембранного пространства в строму митохондрии будет служить движущей силой для синтеза АТФ.

Источник

ДНК. Механизмы хранения и обработки информации. Часть I

Много людей использует термин ДНК. Но статей, нормально описывающих, как она работает почти нет (понятных не биологам). Я уже описывал в общих чертах устройство клетки и самые основы ее энергетических процессов. Теперь перейдем к ДНК.
ДНК хранит информацию. Это знают все. Но вот как она это делает?

Начнем с того, где она в клетке хранится. Примерно 98% хранится в ядре. Остальное в митохондриях и хлоропластах (в этих ребятах протекает фотосинтез). ДНК — это огромный полимер, состоящий из мономерных звеньев. Выглядит примерно так.

Что мы тут видим? Во-первых ДНК — двухцепочечная молекула. Почему это так важно — чуть позже. Далее мы видим синие пятиугольники. Это молекулы дезоксирибозы (такой сахар, чуть меньше глюкозы. От рибозы отличается отсутствием одной OH группы, что придает стабильности молекуле ДНК, в отличие от РНК, в которой используется рибоза. Дальше, для простоты опущу приставку дезокси и буду просто говорить рибоза, да простят нас щепетильные товарищи). Маленькие кружкИ — остатки фосфорной кислоты. Ну и собственно есть азотистые основания. Всего их 5, но в ДНК в основном встречаются 4. Это Аденин, Гуанин, Тимин и Цитозин. То есть, есть рибоза с которой связано азотистое основание. Вместе они образуют так называемые нуклеозиды, которые связываются друг с другом с помощью остатков фосфорной кислоты. Таким образом мы получаем длинную цепь, состоящую из мономеров. Теперь посмотрите на увеличенную левую цепь. Видите C и G соединены тремя пунктирными линиями, а T и A двумя. Что это значит? Да, ДНК состоит из двух цепей, но что удерживает их вместе? Есть такая штука, как водородная связь. Выглядит примерно так. На атомы кислорода (O) и азота (N) формируется частичный отрицательный заряд, а на водороде (H) — положительный. Это приводит к формированию слабых связей.

Связи действительно очень слабые. Их энергия может быть в 200 раз ниже энергии ковалентных связей (образуются за счет перекрытия пары электронных облаков, например связь в молекуле CO2). Однако таких связей много. В каждой нашей клетке ДНК цепи связаны почти 16 миллиардами слабых связей, не мало, согласны?

Но вернемся к числу связей между основаниями. Цитозин и Гуанин связаны тремя связями, а Аденин и Тимин — двумя. Это приводит к тому, что Г и Ц связанны куда прочнее, чем А и Т. Некоторым организмам нужна особая стабильность связей ДНК, например живущим при высоких температурах. При нагревании ДНК содержащая больше ГЦ пар более стабильна. Так что хочешь жить в гейзере — имей много ГЦ пар. Хотя последние исследования говорят, что явной связи между GC составом (% ГЦ пар от всех пар) и температурой обитания нет. Стоит сказать, что варьирует он сильно. Так у Candidatus Carsonella ruddii PV (внутриклеточный эндосимбионт) он примерно 16%, у нас с вами почти 41%, а у Anaeromyxobacter K (бактерия вполне себе средних размеров) достигает 75%.

Тут вы можете видеть связь GC состава с размером генома бактерий. Mb — миллион пар нуклеотидов. Показатель довольно вариативный. Его, кстати, часто юзают как фичу при обучении различного рода классификаторов. Сам недавно писал классификатор для распознания патогенов на основе сырых данных секвенирования и оказалось, что GC состав даже по одному риду вполне себе можно использовать.

Пока не забыл. Почему важно, что ДНК двухцепочечная? На основе одной цепи можно восстановить другую. Если в одной цепи поврежден кусок напротив последовательности Аденин-Аденин-Цитозин, то мы точно знаем, что до повреждения там был Тимин-Тимин-Гуанин. Таким образом наличие второй цепи позволяет надежней хранить информацию.

Круто! Теперь вернемся к самой молекуле ДНК. Это цепочка из 4х типов звеньев. Однако насколько длинная? У Candidatus Carsonella ruddii PV уже упомянутого выше всего 160 000 нуклеотидов. У нас с вами 3.2 миллиарда (в гаплоидной клетке, то есть с одним набором хромосом. У большинства наших клеток их два). Кажется много, да? На самом деле нет. У одноклеточной амебы (Amoeba dubia) он примерно 670 миллиардов пар нуклеотидов. Кажется что это бесконечно длинная цепочка, поэтому давайте переведем размер в любимые нам метры. Если все наши хромосомы (их 46, не забываем; 23 по две копии на каждую) развернуть и вытянуть в одну линию, получится примерно 2х метровая цепочка. ДНК одной амебы хватит, чтоб опоясать футбольный стадион. Но к чему я веду? Ядро, в котором ДНК хранится не очень большое. У нас оно в среднем диаметром в 6 мкм. Не очень то много, если хочешь свернуть 2х метровую нить, пусть и очень тонкую. Причем нужно не просто запихать нить в ядро. Нужно свернуть таким образом, чтобы в любой момент можно было обеспечить доступ к любому ее участку. Задача сложная. И с ней успешно справляются специализированные белки. Они создают ряд спиралей и петель, которые обеспечивают все более и более высокие уровни упаковки и не до допускают спутывания ДНК в гордиев узел. Давайте поговорим о том, как она упаковывается.

Сразу скажу, упаковывается она очень по разному. Но если откинуть экзотику, то остается два способа. Первый характерен для бактерий, второй для эукариот (или иначе ядерных).

Упаковка ДНК у бактерий

Начнем с братьев наших меньших. Бактерии сами по себе обладают не очень большим геномом, в среднем от 1 до 5 миллионов пар нуклеотидов. Наиболее характерное их отличия от нас в том, что у них нет ядра и ДНК плавает в клетке. Не совсем плавает, оно частично прикреплено к клеточной мембране и тоже свернуто, но не так сильно как у нас.

Второе. Бактериальная ДНК чаще всего кольцевая. Так ее проще копировать (нет концов, которые могут потеряться при копировании и не нужно придумывать механизмы сохранения концов). Обычно такое кольцо одно, но у некоторых бактерий их может быть 2 или 3. Есть еще кольца поменьше (от пары тысяч до пары сотен тысяч остатков).Имя им плазмиды, и это вообще отдельная история.

Вернемся к упаковке ДНК. ДНК упаковывают белки-гистоны (есть еще гистоноподобные белки). ДНК это дезоксирибонуклеиновая кислота. Кислота. Это значит что она отрицательно заряжена (за счет остатков фосфорной кислоты). Поэтому белки, связывающие ее положительно заряжены. Таким образом они могут связываются с ДНК. ДНК бактерий вместе с белками ее упаковывающими формируют нуклеоид, при этом на долю ДНК приходится 80% от его массы. Выглядит это примерно так. То есть кольцевая ДНК делится на домены по 40 тысяч пар нуклеотидов. Затем происходит скручивание. Внутри доменов тоже происходит скручивания, но его степень в разных доменах отличается. В среднем степень упаковки бактериальной ДНК варьирует от сотни до тысячи раз.

Упаковка ДНК у эукариот

Тут все куда интересней. Наше ДНК хорошо упакована и спрятана внутри ядра. И она куда эффективней упакована, нежели у бактерий. Во время митоза (деление клетки) размер 22й хромосомы составляет 2 мкм. Если ее распутать и вытянуть, она будет уже 1,5 см. Что соответствует степени упаковки в 10 000 раз. Это около максимальная степень упаковки нашей ДНК. Во время деления нужно максимально упаковать ДНК, что бы эффективно разделить ее между дочерними клетками. В обыденной жизни степень компактизации составляет примерно 500 раз. Со слишком упакованной ДНК сложно считывать информацию.

Есть несколько уровней упаковки ДНК эукариот

Первый — нуклеосомный уровень. 8 белков-гистонов формируют частицу на которую наматывается ДНК. Затем еще один белок ее фиксирует. Выглядит примерно так.

Получаются своего рода бусы. Плотность упаковки благодаря этому возрастает в 7-10 раз. Далее нуклеосомы упаковываются в фибрилы. Немного похоже на солениод. Тут суммарная степень упаковки может достигать 60 раз.

Следующий этап компактизации ДНК связан с образованием петлеобразных структур, которые называются хромомерами. Фибрила разбита на участки по 10 — 80 тысяч пар азотистых оснований. В местах разбивки находятся глобулы негистоновых белков. ДНК — связывающие белки узнают глобулы негистоновых белков и сближают их. Образуется устье петли. Средняя длина петли включает примерно 50 тысяч оснований. Эту структуру называют интерфазной хромонемой. И именно в ней наше ДНК находится большую часть времени. Уровень упаковки здесь достигает 500-1500 раз.

При необходимости клетка может еще больше компактизировать генетический материал. Идет образование более крупных петель из хромомерной фибриллы. Эти петли в свою очередь образуют новые петли (петли в петли… и это не вязание). Которые в конечном счете формируют хромосому.

В целом процесс упаковки можно описать примерно так.

В итоге из нитей ДНК мы получаем, при делении, суперскрученные структуры, которые можно увидеть под микроскопом. Их мы и зовем хромосомами.

Собственно вещество хромосом зовется хроматином. И степень его упаковки отличается в зависимости от участка хромосомы. Есть эухроматин и гетерохроматин. Эухроматин это довольно расплетенная область хроматина, в ней ДНК находится на хромомерном уровне (упаковка в 500 — 1000 раз). Здесь происходит активное считывание информации. Например, если сейчас клетка активно синтезирует белок А, то область ДНК, его кодирующая будет в состоянии эухроматина, что бы ферменты, «читающие» ДНК могли до нее добраться. Гетерохроматин же содержит ту часть ДНК, которая клетке не особо нужна сейчас. То есть ДНК максимально плотно упакована, дабы не путаться под ногами. В зависимости от потребностей клетки одни области хроматина могут частично расплетаться, в то время как другие — сплетаться. Таким образом еще и осуществляется регуляция (очень грубое приближение), ведь к скрученной области не добраться, и значит ее не прочитать.

Собственно пока это все. Мы обсудили как хранится носитель информации. Сделаем небольшую паузу и через пару дней поговорим о самом кодировании информации.

Источник

Почему в составе днк имеет место строгое соотношение компонентов?На чем основана огромная информационная емкость ДНК, и как эта

Почему в составе днк имеет место строгое соотношение компонентов?
На чем основана огромная информационная емкость ДНК, и как эта функция отображена в строении?

Гены матери в любом случае будут рецесивными. Потому тенотип ребёнка будет определяться перешедшеми от отца генами.

Для прав рук. с норм зрением необходим генотип (Аавв), т.е. от отца должны перейти ген А и в.

В равной вероятности от него могут перейти гены А и В, А и в, а и В, а и в.(от матери ничего не зависит)

Т.е. вероятность равна 1/4(25%).

1.Вирусы с позитивным РНК-геномом содержат матричную РНК (мРНК), с которой сразу после попадания вируса в клетку начинается синтез вирусных белков, а размножение самой РНК происходит позже. Таковы вирус полиомиелита, клещевого энцефалита, вирус мозаики табака.

5.Вирусы с одноцепочной ДНК могут содержать положительную или отрицательную цепочку ДНК, которая попадая в клетку, превращается сначала в двуцепочную форму, а затем действует в клетке как двуцепочная.

Источник

Почему в составе днк имеет место строгое соотношение компонентов?На чем основана огромная информационная емкость ДНК, и как эта

Почему в составе днк имеет место строгое соотношение компонентов?
На чем основана огромная информационная емкость ДНК, и как эта функция отображена в строении?

Гены матери в любом случае будут рецесивными. Потому тенотип ребёнка будет определяться перешедшеми от отца генами.

Для прав рук. с норм зрением необходим генотип (Аавв), т.е. от отца должны перейти ген А и в.

В равной вероятности от него могут перейти гены А и В, А и в, а и В, а и в.(от матери ничего не зависит)

Т.е. вероятность равна 1/4(25%).

1.Вирусы с позитивным РНК-геномом содержат матричную РНК (мРНК), с которой сразу после попадания вируса в клетку начинается синтез вирусных белков, а размножение самой РНК происходит позже. Таковы вирус полиомиелита, клещевого энцефалита, вирус мозаики табака.

5.Вирусы с одноцепочной ДНК могут содержать положительную или отрицательную цепочку ДНК, которая попадая в клетку, превращается сначала в двуцепочную форму, а затем действует в клетке как двуцепочная.

Источник