Хромосомы

[Dagdamor]

Интересно, почему до меня никто не обращал внимания на эту дикую нестыковку?

Для начала общеизвестные факты: хромосома, или ДНК - это сложная молекула, которая состоит из миллиардов элементов (нуклеотидов четырех типов) и закручена в некое подобие двойной спирали. Когда клетка делится, хромосомы тоже должны разделиться надвое. При этом двойная спираль разделяется на две половинки, каждая из которых достраивается до полной и оттаскивается в сторону.

Это все понятно. Непонятно другое. Вот смотрите: ДНК - это спираль. Я не знаю точно, насколько сильно она закручена, но на всех иллюстрациях она закручена довольно сильно: на каждые 5-10 элементов - один полный оборот спирали. Всего в хромосоме миллиарды элементов, значит, один конец хромосомы по отношению к другому "перекручен" как минимум сотни миллионов раз. Сотни миллионов раз!

Но для того, чтобы разделить хромосому на две половинки, надо предварительно раскрутить всю эту структуру обратно, иначе половинки нельзя будет развести в стороны - они сплетены вместе. Опять же следовательно, один конец хромосомы должен сделать несколько сотен миллионов оборотов относительно другого. Только когда хромосома полностью "раскрутится" и из спирали превратится в две параллельные "палки", эти "палки" смогут отделиться друг от друга и достроиться до двух идентичных копий.

Вот здесь и начинается нестыковка: даже если предположить, что хромосома раскручивается со скоростью один виток в секунду (а химические процессы быстрее не идут), все равно получается, что на раскрутку всей структуры понадобится порядка 100,000 часов или порядка 10 лет. Следовательно, либо механизм деления хромосомы все-таки не изучен (мы не знаем, как происходят эементарные вещи, вроде описанной выше), либо... деление клеток невозможно в принципе.

[Inf_guard]

Скорее нам на форуме надо найти какого-нибудь генетика (или человека, которого не жалко отправить в дебри википедии на поиски нужной информации), который сказал бы нам - с каким именно приближением рисуются эти наглядные картинки. В конце концов, ты же сам понимаешь, и что вокруг большого красного атомного ядра не крутятся по чётким орбитам маленькие синенькие шарики электронов, так же как в космосе нет плотных облаков космической пыли,в котором бы можно было заплутать, хотя и то и другое - популярные модели из учебников.
Каждая такая модель - всегда именно "модель", упрощение, которое позволяет понять основную суть и вычислять или проводить опыты с предметом, не вдаваясь во все тонкости. Однако как правило наука за пределами школьного курса в этих самых тонкостях и состоит, и как планетарная модель атомов скрывает нейтрино, бозоны и струны, так и часто рисуемая двойная спираль ДНК, думается, в действительности выглядит иначе, чем на картинках, то есть, можно предположить, что шаг витка там может быть совсем иным.
Кроме того, что касается скорости химических процессов - никак с тобой не соглашусь. Спроси у Кота, за какие доли секунды происходит подрыв заряда - а это ведь тоже химический процесс, в данном случае, окисление.

[Ted]

Но для того, чтобы разделить хромосому на две половинки, надо предварительно раскрутить всю эту структуру обратно, иначе половинки нельзя будет развести в стороны - они сплетены вместе. Опять же следовательно, один конец хромосомы должен сделать несколько сотен миллионов оборотов относительно другого. Только когда хромосома полностью "раскрутится" и из спирали превратится в две параллельные "палки", эти "палки" смогут отделиться друг от друга и достроиться до двух идентичных копий.

Во-первых, ДНК не должна полностью раскручиваться, чтобы разъединиться. Она одновременно раскручивается, и за этим сразу закручивается в две полоски. Все одновременно происходит.
Во вторых, фермент, который раскручивает ДНК не один! Там их много, которые раскручивают ДНК на определенных участках.
В третьих, процесс действительно очень быстр. Что сказать - чудо природы.

Меня тут другой вопрос интересует, разумеется, сугубо научного характера. Как люди стригли ногти до изобретения ножниц? Срывать - опасно в век, когда отсутствовала всякая санитария. Любой заусенец - и древний предок страдал от нагноения пальцев, что чревато в тогдашнем обществе. Грызть - можно и грызть, но на ногах-то ногти тоже растут, и грызть их становится проблематично. Короче, загадка истории, господа.

[Dagdamor]

Inf_guard
Нет, спираль хромосомы - это не просто школьная модель. Молекула действительно закручена в спираль - это обусловлено физическими свойствами молекул-нуклеотидов, точнее, расположением у них связующих фрагментов. Когда за открытие ДНК давали Нобелевку (блин, забыл фамилии ученых, помню только, что англичане), они строили модель молекулы из проволоки, в точном соответствии с атомарным составом нуклеотидов. И у них уже тогда получилось, что молекула имеет вид спирали. Потом это подтвердилось опытами. Так что тут ко мне не придерешься.

Ted

Во-первых, ДНК не должна полностью раскручиваться, чтобы разъединиться. Она одновременно раскручивается, и за этим сразу закручивается в две полоски. Все одновременно происходит.

Как ты себе это представляешь - одновременно раскручивается из одной полоски и одновременно закручивается в две?

Во вторых, фермент, который раскручивает ДНК не один! Там их много, которые раскручивают ДНК на определенных участках.

В том-то и дело, что раскручивать такую спираль можно только с одного из ее концов, но не с середины. Не разрывая ее при этом на части, конечно.

В третьих, процесс действительно очень быстр. Что сказать - чудо природы.

Там химические процессы, они не могут быть "очень быстрыми" по определению. Это тебе не поток электронов в проводнике, со скоростью света тут ничего не происходит. Химические процессы - всегда относительно медленные.

Меня тут другой вопрос интересует, разумеется, сугубо научного характера. Как люди стригли ногти до изобретения ножниц? Срывать - опасно в век, когда отсутствовала всякая санитария. Любой заусенец - и древний предок страдал от нагноения пальцев, что чревато в тогдашнем обществе. Грызть - можно и грызть, но на ногах-то ногти тоже растут, и грызть их становится проблематично. Короче, загадка истории, господа.

*смотрит на название темы* А при чем тут хромосомы? Грызли они ногти, разумеется. Можно подумать, ты сам этого никогда не делал.

[Homer Simpson]

Вот по этому Хитман и круче всех 
У него на хромосом больше 

[Dagdamor]

У него на хромосом больше 

В этом предложении пропущена циферка или я что-то не понял?

[Kot]

Я так понимаю, речь идёт о молекуле ДНК, а не о хромосомах? (Всё-таки разные вещи). ДНК действительно скручена в спираль (в большинстве случаев) и дублируется именно так, как сказал Ted. По крайней мере это общепринятое представление о процессе. Я, честно сказать, даже не представляю как это выглядит, но большинство учебников предлагают такую схему: http://elementy.ru/images/eltbook/dna_600.jpg. В этом есть доля истины, для того чтобы раскрутить скрутку, не надо ничего вращать, достаточно взять два конца и потянуть их в разные стороны. Есть даже аниэшка, предложенная Википедией, но увы, она целиком и полностью на англицком языке и поэтому её суть остаётся для меня загадкой. http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/animations/dna_replication/index.html.

Касательно скорости горения, скажем ДШ (детонирующего шнура), то она составляет 7,8 - 8 км в секунду. И это действительно тоже вполне химический процесс. Если вас напрягает скорость "раскручивания" спирали ДНК, то почему не напрягает скорость синтеза белков?

[harphazard]

Не очень разбираюсь в теме, максимум на продвинуто-школьном уровне, но тем не менее выскажусь. Химические процессы действительно весьма быстрые, если частицы которые должны прореагировать находятся рядом. Кроме того, на самом деле, ДНК не только разгибается, но при копировании с ней происходит вообще много чего интересного. Мне вот особенно нравиться, что при копировании часть ДНК, находящаяся на конце не может быть скопирована полностью, и после многократного копирования ее длина уменьшается.

  Вот какое видео, я нашел : http://www.youtube.com/watch?v=yqESR7E4b_8
Конечно, и там наверняка много упрощений, но по крайней мере оно содержит больше визуальной информации, чем стандартная картинка из учебника. В видео регулярно повторяют, что мы наблюдаем все в реальном времени.

[Dagdamor]

Kot
Это тоже не помогает, ведь для того, чтобы таким образом скопировать хромосому (даже если решить проблему закручивания, а я не уверен, что такой подход ее решает), приходится копировать ее последовательно, элемент за элементом. Верно? Тогда возникает все та же проблема: даже если на разделение и копирование одного элемента требуются доли секунды, но на постепенную репликацию всей молекулы потребуются годы. Если бы не было спирали, все было бы проще: "палка" разделилась бы по всей своей длине, одновременно, и затем одновременно к ней достраивались бы недостающие элементы. Таким макаром можно было бы быстро, за секунды, создать две копии ДНК. Но спираль делает этот процесс невозможным.

Детонационный шнур приплетать не надо; одно дело - горение (т.е. разрушение более сложных веществ, с созданием более простых), и совсем другое - синтез более сложных молекул из более простых. Ломать не строить; меня не удивляет высокая скорость простых, разрушающих реакций. Но чтобы ДНК строилась с такой же скоростью? Не поверю.

[Джейн П.]

ДНК и хромосомы - не одно и то же) ДНК - лишь часть хромосомы. Во время деления сначала деспирализуются хромосомы, а в каждой из них, в свою очередь, деспирализуется и удваивается ДНК. Спираль ДНК раскручивается со скоростью, кажется, около 4000 или больше оборотов в минуту, чтобы информация копировалась в нормальном режиме. Удвоение идет порядка сорока минут.
Не генетик, абитуриент медвуза

[Joker]

Следовательно, либо механизм деления хромосомы все-таки не изучен (мы не знаем, как происходят эементарные вещи, вроде описанной выше), либо... деление клеток невозможно в принципе.

Либо ты(мы) не знаешь как происходят элементарные вещи, а те кто проходил это углубленно - знает.

[Judge]

Детонационный шнур приплетать не надо; одно дело - горение (т.е. разрушение более сложных веществ, с созданием более простых), и совсем другое - синтез более сложных молекул из более простых. Ломать не строить;

Странный, мягко говоря вывод... Возьмем элементарное - взрыв гремучей смеси: 2H2+O2 = 2H2O. Это не что иное как реакция синтеза! И вообще, что происходит быстрее, притягивание разноименных зарядов или отталкивание одноименных? Глупый вопрос.

[Ted]

Как ты себе это представляешь - одновременно раскручивается из одной полоски и одновременно закручивается в две?

Раскручивается она не из одной полоски, а из двух, месье. Особый фермент расцепляет связи, эти две полоски расплетаются, а рядом с ними тут же генерируются парные полоски, которые сразу же закручивается в две пары полосок. И вуаля - перед нами две пары ДНК.

В том-то и дело, что раскручивать такую спираль можно только с одного из ее концов, но не с середины. Не разрывая ее при этом на части, конечно.

Почему? Нет, можно и с середины. Ферментов, расцепляющих цепи, несколько, и действовать могут и с середины, ничего не разрывая. Напомню, ДНК - парная спираль.

Там химические процессы, они не могут быть "очень быстрыми" по определению.

Тут уже привели примеры OCHE быстрых химических реакций. Не вижу ничего удивительного, что ДНК тоже OCHE быстро дублируется.

Алсо, если тебя возмущает факт того, что высоколобая наука уже давно все изучила, то справедливости ради скажу, что наука до сих пор не знает зачем нам 75% генома, который не кодирует вообще никакой информации, а просто лежит балластом. Остальные 25% ДНК разбросаны по геному и только они хранят всю информацию. Загадка.

[Joker]

Схематично покажу и расскажу, имхо это интересно.



1)   запаздывающая нить
2)   лидирующая нить
3)   ДНК полимераза (Polα)
4)   ДНК лигаза
5)   РНК праймер
6)   ДНК праймаза
7)   фрагмент Оказаки
8)   ДНК полимераза (Polδ)
9)   геликаза
10)   одиночная нить со связанными белками,
11)   топоизомераза

Сначала фермент ДНК-гираза, необозначенная на рисунке, находит точку начала репликации на нити ДНК.
Топоизомераза(11) раскручивает спирать ДНК. 9й номер, коих на самом деле две(на рисунке, опять же, не показано), отделяет нити ДНК, двигаясь в противоположных друг к другу направлениях, образуя репликационную вилку.
На внешнюю сторону нитей ДНК садятся связывающие белки(10). По принципу комлементарности номер 8 достраивает новые ДНК.
ДНК строится последовательно и лишь в одном направлении. От участка "3'" к участку "5'".
На нижней цепочке ДНК-полимераза строит ДНК слева-направо.  Эту нить называют лидирующей(2).
На верхней - справа-налево, вследствие чего, на ней накапливаются сотни нуклеотидов, требующих достройки.
Эту нить называют запаздывающей(1), а временно недостроенные фрагменты - фрагментами Оказаки(7).
После того, как связывающие белки(10) освобождаются - они переходят на новые "участки работы".
ДНК-лигаза(4) - соединяет между собой фрагменты Оказаки.
Думаю, остальное можно легко нагуглить. В итоге образовались две одинаковые цепочки ДНК. Как уже сказал Ted, репликация может происходить сразу на нескольких участках ДНК, но это происходит, только если ДНК очень длинная.

[Ted]

Похоже Дагдамор побежал перечитывать биологию за 9-ый класс. 

[Dagdamor]

Похоже Дагдамор побежал перечитывать биологию за 9-ый класс. 

Очень толсто.
Я, по крайней мере, не задаюсь вопросом, кто будет грызть мне ногти на ногах.

Joker
Спасибо, интересно. Но.
Но вопрос остается все тот же - если ДНК копируется последовательно, элемент за элементом, почему процесс деление происходит так быстро? В ДНК миллиарды нуклеотидов. Предположим, что описанная выше схема успевает скопировать один элемент (выполнив описанную вышу кучу действий) за тысячную долю секунды - хотя я в жизни не поверю в такую сумасшедшую скорость. Сколько тогда займет процесс реплизации всей ДНК? Считайте сами.

Это чисто математический аспект. Но есть и топологический. Чисто топологически описанная выше схема невозможна. Для простоты рассуждений предположим, что одна из частей схемы, нарисованной в твоей мессаге, "закреплена" в пространстве. Это позволяет оценить взаимодействие с ней других частей. Допустим, "закреплена" правая часть, т.е. еще не обработанная часть ДНК. Что тогда? А тогда это зеленое кольцо, разделенная часть и вся левая половина рисунка должна вращаться вокруг этой "закрепленной" части, повторяя рисунок ее спирали. Понятно, что это невозможно, т.к. левая часть по мере деления растет все больше и больше. Она просто запутается.

Репликация сразу на нескольких участках ДНК тоже невозможна топологически, если ДНК предварительно не разрывается на части при этом. Иначе плотно свернутая спираль не позволит раскрутить ее часть и тем более разделить половины на самостоятельные части. На картинке-то это смотрится весело, но стоит добавить движения - и данная схема разваливается.

[Judge]

По-моему, ошибка в том, что ты "закрепил" правую часть. Тогда вся Вселенная вращается относительно нее с огромной угловой скоростью.

Относительно Земли и клетки покоится как раз левая, раздвоенная, часть. А вращаются правая часть (разматывается) и два самых левых "рукава" (скручиваются).

Хотя да, такая скорость вращения поражает воображение. Но меня лично больше поражает сумасшедшая плотность записи информации в ДНК. Вот ты как программист только представь себе, сколько гигабайт (терабайт?) заняла бы полная модель человеческого тела, с точностью до белка. И это все записано не в массиве винчестеров размером с кирпич, а в молекуле! Да еще и занят этот нановинчестер только на 10%, остальное - прон бессмысленная информация.

[Sulim]

Dagdamor

В ДНК миллиарды нуклеотидов.

У человека, если верить Википедии, "от 50 до 245 миллионов" на одну хромосому.

Предположим, что описанная выше схема успевает скопировать один элемент (выполнив описанную вышу кучу действий) за тысячную долю секунды - хотя я в жизни не поверю в такую сумасшедшую скорость. Сколько тогда займет процесс реплизации всей ДНК? Считайте сами.

Джейн П. говорит, что удвоение происходит за 40 минут. Значит, время копирования одного элемента 0,00001 с.

хотя я в жизни не поверю в такую сумасшедшую скорость

Собственно, почему? На малых пространственных масштабах ничего удивительного, что временные масштабы малы.

Это тебе не поток электронов в проводнике, со скоростью света тут ничего не происходит.

Ну разумеется. Если взять среднюю длину ДНК человека 2 см, то получаем скорость 0,008 мм/с. Гораздо меньше не то, что скорости света, но и улитки.

Judge

сколько гигабайт (терабайт?) заняла бы полная модель человеческого тела, с точностью до белка

http://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=42938080-5049-4628-8d62-961bf98b609c

Во всех молекулах ДНК одной клетки человека содержится 3,2 млрд пар нуклеотидов, что соответствует 800 мегабайтам информации.

Человека можно записать на DVD-диск!

[Dagdamor]

По-моему, ошибка в том, что ты "закрепил" правую часть. Тогда вся Вселенная вращается относительно нее с огромной угловой скоростью.

Относительно Земли и клетки покоится как раз левая, раздвоенная, часть. А вращаются правая часть (разматывается) и два самых левых "рукава" (скручиваются).

Невозможно.

Посмотри на вложение в первой мессаге, где расписано строение ДНК на разных уровнях. Это сложно сплетенный клубок, а не просто палка, "крутиться" она не может - просто из-за сил трения. Поэтому я вполне справедливо взял в качестве неподвижной части еще не обработанный фрагмент ДНК.

Понять, что ДНК не может вращаться целиком вокруг своей оси, можно простым мысленным опытом. Возьми в руки большой клубок ниток, из которого торчит кончик, возьми за него и начни вращать этот кончик нити вокруг своей оси. Вопрос: что произойдет раньше: вся нить в клубке начнет прокручиваться, следуя за движением кончика, или нить просто порвется? Второе, разумеется. Вот и с ДНК то же самое: если взять один ее конец и начать раскручивать, молекула просто порвется.

Так что повторяю, топологически, процесс, описанный Джокером, на практике невозможен. Деление происходит как-то иначе. Как нарисовано там - присходить не может, т.к. на рисунке не учтена топология спирали.

[harphazard]

Деление с учетом топологии показано в видеоролике который я выкладывал в своем предыдущем сообщении: http://youtu.be/yqESR7E4b_8?t=1m44s .

[Dreamer]

Мой преподаватель по генетике, также как и родственник-биохимик со стажем, не смогли дать ответ на этот вопрос. Скорее всего этот процесс еще не полностью изучен.
Я думаю, что здесь замешаны энзимы. Больше пока ничего сказать не могу.

[Dagdamor]

harphazard
Ролик интересный, да только это не реальный процесс, а компьютерная модель. Поэтому она не показывает всех нюансов, а прячет их - показаны только самые очевидные моменты (в данном случае то, каким образом скопированная ДНК отводится в сторону и упаковывается в более компактную структуру).

Но проблема топологии ДНК здесь никак не затронута. Согласно этому ролику, ВСЯ молекула ДНК постоянно вращается вокруг своей оси во время всего процесса копирования. Что выглядит полным бредом для любого, кто хоть немного представляет себе сложность этой молекулы - см. второй аттач в первом сообщении темы. Так что ролик конечно любопытный в плане визуализации, но по части моего главного вопроса он - фэйл.

[Global]

Самое интересно то, что она была изучена только на 10%, что значит остальные 90% - неизвестно.