Файл: южный федеральный университет.docx

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет

Изучение процессов, протекающих при старении ДНК

ОТЧЕТ

О прохождении производственной (НИР) практики

обучающегося 4 курса

Место прохождения практики - кафедра химии природных и высокомолекулярных соединений

Вид практики Производственная

Тип практики Преддипломная

Способ проведения практики Стационарная

Форма проведения практики Дискретная (по периодам проведения практик)

Сроки прохождения практики с 11 мая по 25 мая 2022

Обучающийся Клименко Данил Александрович

Форма обучения очная

Специальность (направление) 04.03.01 «Химия»

Руководитель практики _________/Доцент, к.х.н. Викрищук Наталья Игоревна

Ростов-на-Дону

2022 г.

Введение 3

Пояснительная записка 5

Цели и задачи практики 5

Экспериментальная часть 6

Гидролиз связи фосфат-дезоксирибоза 6

Структуры некоторых нуклеотидных пар 8

Итоги 11

Гидролиз N – гликозидных связей 11

Итоги 13

Дезаминирование аденина и цитозина 13

Итоги 16

Выводы 16

Введение

ДНК – неповторимый каркас жизни, многокомпонентный код, благодаря которому происходит передача наследственной информации, осуществляется процесс эволюции и развития организмов. Все царства живой природы основаны на разных комбинациях структурных компонентов ДНК. Она определяет процесс и стадии развития живого организма, весь ход жизни. Искусственные или естественные воздействия внешней среды способны повлиять лишь на общую выраженность отдельных генетических признаков или на развитие запрограммированных процессов.

Из чего состоит ДНК?

Д

Рисунок 2 (Т)

НК состоит из молекул, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит фосфатную группу, сахарную группу и азотное основание. Четырьмя типами азотистых оснований являются аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C).

Рисунок 3 (G)

Рисунок 4 (С)

Рисунок 1 (А)

Нуклеотиды соединяются вместе, образуя две длинные нити, которые закручиваются в спираль, создавая структуру, называемую двойной спиралью. Структуру двойной спирали можно представить как лестницу, молекулы фосфата и сахара будут сторонами, в то время как пары оснований будут ступенями. Основания на одной нити соединяются с основаниями на другой нити: пары аденина с тимином (A-T) и пары гуанина с цитозином (G-C).

Подобно тому, как порядок букв в алфавите может быть использован для формирования слов, порядок азотистых оснований в последовательности ДНК формирует гены, которые на языке клетки говорят клеткам, как производить белки. Сокращенное название этого процесса состоит в том, что гены "кодируют" белки. Но ДНК не является прямым шаблоном для производства белка. Чтобы создать белок, клетка создает копию гена, используя не ДНК, а рибонуклеиновую кислоту или РНК. Эта копия РНК, называемая информационной РНК, сообщает механизму, производящему белок в клетке, какие аминокислоты соединять в белок, согласно "Биохимии"

Огромный интерес для науки представляет древняя ДНК, содержащаяся в древних костях и зубах людей и животных, живших тысячи и миллионы лет назад до нас. Почва, в которой лежит многие годы исследуемый материал, является очень агрессивной средой, содержащей огромное количество химических веществ, способных воздействовать на кости и зубы, в том числе и на ДНК. Даже если кости пролежит в земле всего лишь 50 лет, ДНК, содержащееся в них, будет деструктировано на столько, что его можно принять за древнее.

ДНК была успешно извлечена из целого ряда древних органических материалов, включая ткани, кости и зубы. Используемые методы основаны на стандартных биомолекулярных методах извлечения ДНК, амплификации, клонирования и секвенирования, но модифицированы с учетом деградированного состояния ДНК. Цель этой области исследований двояка: сначала восстановить неповрежденную ДНК, а затем секвенировать ДНК. Это может быть сделано для простого определения биологических видов или может быть использовано для определения филогенетического сходства древних образцов. Также изучение древнего ДНК может быть использовано в изучении древних болезней, вирусов. Изучая ДНК, можно определять закономерности эволюции, а также изучение основы жизни может быть использовано для устранения каких-либо

наследственных заболеваний и дефектов, выведения новых видов животных и растений, полезных в нашей повседневной и не только жизни.

Особое место в изучении древней ДНК получило исследование ДНК предков современных людей, живших за многие тысячелетия до нас. Обычно суммарное количество нуклеотидных пар в ДНК составляет примерно 3,055 млрд. Но под влиянием времени и химико-физического взаимодействия в сохранившихся костях обычно остается от несколько тысяч до несколько десятков тысяч пар оснований. Но даже используя полученные образцы ДНК велика вероятность появления ошибок, так как древняя ДНК может быть подвержена как физическим, так и химическим загрязнениями. Например, некоторые образцы могут быть загрязнены ДНК других живых организмов, например бактерий.

Наибольшей проблемой загрязнения ДНК является ее химические изменения с течением времени, причины которых до конца не известны. С ДНК способны реагировать большой спектр химических соединений. Наибольший интерес для моего исследования представляют такие процессы, как гидролиз, дезаминирование и метилирование. Именно эти процессы вызывают наибольшей процент ошибок в определении комплиментарных пар и структуре ДНК.

Пояснительная записка

Определение механизмов и термодинамической составляющей процессов старения структуры ДНК, а также изменения азотистых оснований является актуальной задачей в исследовании древней ДНК.

Цели и задачи практики

Целью данной работы является теоретическое изучение наиболее вероятных путей старения структуры ДНК

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: Квантово-химический расчеты

- процесса гидролиза фосфодиэфирных связей, определение энергии разрыва и ее зависимость от азотистых оснований

- гидролиза N-гликозидных связей, изучение частоты и скорости данного процесса

- дезаминирования цитозина и аденина в двух тестируемых средах, изучение механизма и термодинамики данного процесса

Экспериментальная часть

Гидролиз связи фосфат-дезоксирибоза

Процесс изучения ДНК я решил начать с изучения стабильности фосфодиэфирных связей, так как они являются каркасом всей структуры исследуемого объекта и от их реакционной способности зависит скорость разрушения ДНК. Также, изучив термодинамику процесса гидролиза связи фосфат-дезоксирибоза, можно определить места, в которых разрыв будет происходить чаще и быстрее.

Все расчеты проводились в программе «Gaussian 09», в газовой фазе, на базисе B3LYP/6-31G** (газовая фаза)

Для решения данной задачи мной были рассчитаны энергии нуклеотидных пар, а также их составных компонентов: нуклеозидов и нуклеотидов. На основе полученных значений, были рассчитана возможность разрыва цепи ДНК в различных ее фрагментах.
Общая схема реакции:

Таблица 1. Расчет энергии гидролиза связи фосфат-дезоксирибоза

Путь		∆G (ккал/моль)	Путь		∆G(ккал/моль)
A	а3а5	1,9	A	т3ц5	-2,6
B		7,8	B		-8,1
A	г5г3	-13,7	A	ц5а3	-0,9
B		-12,8	B		-0,1
A	т3т5	3,3	A	а5г3	-7,0
B		3,9	B		-13,1
A	ц5ц3	-8,3	A	т3г5	6,1
B		-4,4	B		0,2
A	г5а3	-3,5	A	т5а3	9,7
B		-2,4	B		4,4
A	г5ц3	-15,7	A	ц3а5	-4,4
B		-11,5	B		-1,6
A	т3а5	8,0	A	ц3т5	1,4
B		9,2	B		3,6
A	т5г3	4,4	A	ц5г3	3,7
B		-1,1	B		0,4

Base: a-аденин, ц-цитозин, г-гуанин, т-тимин

Структуры некоторых нуклеотидных пар

Рисунок 5 аденин(3)-аденин(5)

Рисунок 6 гуанин(3)-гуанин(5)

Рисунок 7 цитозин(3)-цитозин(5) Рисунок 8 тимин(3)-тимин(5)

Рисунок 9 аденин(3)-гуанин(5) Рисунок 10 гуанин(3)-аденин(5)

Рисунок 11 цитозин(3)-аденин(5) Рисунок 12 аденин(3)-цитозин(5)

Рисунок 13 гуанин(3)-цитозин(5) Рисунок 14 цитозин(3)-гуанин(5)

Итоги

В цепях нуклеиновых кислот при старении ДНК наиболее подвержены деструкции участки, содержащие гуанин.
При деструкции цепей ДНК во время старения самым слабым звеном являются участки Г-Г и Г-Ц, причем фосфатная группа, связанная с 3 атомом углерода

Гидролиз N – гликозидных связей

Следующим этапом моего исследования стало изучение прочности N – гликозидных связей. Изучение термодинамики данной реакции позволит предсказывать, какие азотистые основания с большей вероятность и с большей скорость будут отрываться от структуры нуклеотида.

Для изучения данного процесса мной были рассчитаны энергии отдельных азотистых оснований, их нуклеотидов, а также остатка, состоящего из фосфата и дезоксирибозы.